CN107014701A - 陶瓷基复合料销钉的剪切强度测试方法 - Google Patents

陶瓷基复合料销钉的剪切强度测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于无机非金属材料技术领域，涉及一种复合材料的剪切强度测试方法，具体涉及一种陶瓷基复合材料销钉的剪切强度测试方法。包括以下步骤：制作陶瓷基复合材料销钉试样，将销钉试样放入测试模具中固定，然后将带有试样的测试模具放在试验机上进行测试；控制压缩试验机的上夹头向下移动，使试样承受微小剪切应力；采用位移控制的加载方式对试样进行剪切性能测试，将测试机上的力传感器和位移传感器数据进行处理，最终得到销钉复合材料的载荷‑位移曲线和剪切性能。本发明可测试销钉复合材料的单剪和双剪性能，测试效率高，换样时间短，可保证销钉复合材料受纯剪切应力，且无应力集中和试样对中等问题，对试验机的要求低，易于实现。

Description

陶瓷基复合料销钉的剪切强度测试方法
技术领域
本发明属于无机非金属材料技术领域，涉及一种复合材料的剪切强度测试方法，具体涉及一种陶瓷基复合材料销钉的剪切强度测试方法。
背景技术
纤维增强陶瓷基复合材料具有高比刚度、比强度和良好的断裂韧性和耐磨性等特点，且拥有较好的耐高温性能，是军事、能源及交通运输等行业中非常有潜力的高温结构材料。随着陶瓷基复合材料应用的扩大，复合材料整体成型已经不能满足实际情况的需要，因此往往需要局部成型。针对纤维增强陶瓷基复合材料复杂形状的异形构件，其成型往往需要采用销钉的机械连接方式完成。
复合材料销钉剪切强度的载荷-位移曲线是进行结构分析所必须的材料性能曲线。尽管陶瓷基体和纤维都属于脆性材料，但由于存在基体开裂、界面脱粘以及纤维逐级断裂等失效机制，陶瓷基复合材料剪切强度的载荷-位移曲线表现为明显的非线性特征。
目前针对陶瓷基复合材料销钉的单剪和双剪强度的测试方法一般是将销钉固定在金属夹具上，然后在拉伸试验机上测试其单剪和双剪强度，但是该方法对金属夹具和试样的加工精度要求较高，而且在销钉剪切强度测试过程中必须确保试样和夹具的良好对中，且对中耗时较长，否则试样件上存在弯曲载荷，使得试样过早断裂而无法准确测得陶瓷基复合材料销钉的剪切强度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述缺陷，提供一种工艺简便易行、对试样和夹具的加工精度要求低且保证陶瓷基复合材料销钉受纯剪切力的剪切强度测试方法，提高销钉剪切强度的测试效率。
为了解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：测试方法所用剪切强度测试模具包括，圆柱形模具、两个模块、两个螺栓和压块，圆柱形模具轴向中心开有方形通孔，圆柱形模具侧面开有与方形通孔垂直的径向通槽，径向通槽底部为半圆形，半圆形R等于陶瓷基复合材料销钉试样的半径+0.5，径向通槽的宽度等于模块的宽度+0.5，径向通槽的高度等于模块的高度加上陶瓷基复合材料销钉试样的半径+0.5；模块3的底部开有与陶瓷基复合材料销钉试样半径相对应的弧形槽，模块的宽度等于径向通槽宽度-0.5，模块的高度等于径向通槽高度减去陶瓷基复合材料销钉试样的半径-0.5；每个模块的长度＝(D-H)/2，其中D为圆柱形模具的直径，H为圆柱形模具轴向方形通孔的径向宽度；在圆柱形模具的顶部径向开两个螺纹孔，两个螺纹孔的中心连线与径向通槽底部的轴线平行，螺纹孔轴线与径向通槽底部的轴线垂直且相交，两个螺纹孔中心间距＝(D+H)/2，螺纹孔直径大于等于模块的宽度，螺纹孔的底部与径向通槽顶部相接，压块的尺寸和形状与圆柱形模具的轴向中心通孔相对应，且底部开有与销钉对应的弧形凹槽，压块的高度突出于圆柱形模具顶面5-10mm；制备剪切强度测试模具所用材料的弹性模量应大于测试试样的弹性模量；测试步骤是，
1)、制作陶瓷基复合材料销钉试样并放入剪切强度测试模具中的圆柱形模具的径向通槽中，将两个模块置于径向通槽中并压在陶瓷基复合材料销钉上，通过螺栓固定，最后在圆柱形模具的轴向孔中放入压块，使压块底部孤形凹槽压在陶瓷基复合材料销钉上；
2)、将带有陶瓷基复合材料销钉的模具放在试验机上，并控制试验机上夹头向下移动，使试样承受微小剪切应力；
3)、将实验机的载荷传感器和位移传感器与试验机的计算机连接；
4)、采用位移控制的加载方式测试陶瓷基复合材料销钉试样的载荷-位移曲线和剪切强度：
a)、假设剪切试验机下夹头的位移为u，加载前设定为u＝0；
b)、控制试验机的执行机构带动上夹头向下移动施加位移，直到陶瓷基复合材料销钉2试样受剪切力破坏，位移为u＝Δu；
5)、将位移传感器和载荷传感器得到的陶瓷基复合材料销钉试样数据进行处理，将力除以陶瓷基复合材料销钉试样的横截面积得到陶瓷基复合材料销钉试样的载荷-位移曲线和剪切强度。
陶瓷基复合材料销钉试样的长度，当进行双剪强度测试时，陶瓷基复合材料销钉试样的长度为圆柱形模具的直径D，当进行单剪强度测试时，陶瓷基复合材料销钉的长度为(D+H)/2-0.5。
陶瓷基复合材料销钉的单剪和双剪强度均采用位移控制模式且加载速率均为0.01～0.05mm/min。
本发明的有益效果在于：
(1)试样固定在试验夹具中后，无需试样与试验机之间的对中处理，只需保证上夹头平面与模具上表面保持平行即可使试样在加载的过程中始终处于纯剪切状态，同时换样过程时间短，效率高。
(2)通过调整试样的长度即可测试销钉的单剪和双剪强度，针对不同直径销钉，加工不同尺寸的凹槽即可测试不同直径尺寸的销钉的单剪和双剪强度。
(3)本发明采用常规力学性能测试设备，对试样和夹具的加工精度要求低，测试成功率高，易于实现。
附图说明
图1为本发明销钉与测试模具装配图；
图2为本发明实施例1复合材料销钉双剪强度测试装配图；
图3为本发明实施例2复合材料销钉单剪强度测试装配图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：
如图1所示，剪切强度测试模具包括，圆柱形模具1、两个模块3、两个螺栓4和压块5，圆柱形模具1轴向中心开有方形通孔，圆柱形模具1侧面开有与方形通孔垂直的径向通槽，径向通槽底部为半圆形，半圆形R等于陶瓷基复合材料销钉试样2的半径+0.5，径向通槽的宽度等于模块3的宽度+0.5，径向通槽的高度等于模块3的高度加上陶瓷基复合材料销钉试样2的半径+0.5；模块3的底部开有与陶瓷基复合材料销钉试样2半径相对应的弧形槽，模块3的宽度等于径向通槽宽度-0.5，模块3的高度等于径向通槽高度减去陶瓷基复合材料销钉2试样的半径-0.5；每个模块3的长度＝(D-H)/2，其中D为圆柱形模具1的直径，H为圆柱形模具1轴向方形通孔的径向宽度；在圆柱形模具1的顶部径向开两个螺纹孔，两个螺纹孔的中心连线与径向通槽底部的轴线平行，螺纹孔轴线与径向通槽底部的轴线垂直且相交，两个螺纹孔中心间距＝(D+H)/2，螺纹孔直径大于等于模块3的宽度，螺纹孔的底部与径向通槽顶部相接，压块5的尺寸和形状与圆柱形模具1的轴向中心通孔相对应，且底部开有与销钉2对应的弧形凹槽，压块5的高度突出于圆柱形模具1顶面5-10mm；制备剪切强度测试模具所用材料的弹性模量应大于测试试样的弹性模量。
本发明所用的销钉剪切强度测试装配图包括圆柱形模具1、陶瓷基复合材料销钉试样2、用于固定销钉的模块3、用于固定陶瓷基复合材料销钉试样2和模块3的螺栓4、以及用于传递剪切载荷的压块5。陶瓷基复合材料销钉试样2的测试如图2所示，所用力学性能试验机包括横梁I、力传感器II，执行机构III、压头IV、陶瓷基复合材料销钉与模具V，基座VI。横梁I下方安装传感器II，传感器II连接微机处理系统，压头IV安装在执行机构III，执行机构III可带动压头IV上下移动，压头IV下表面与模具V上表面平行贴合，基座VI表面与模具V下表面平行贴合。测试步骤是，
1)、制作陶瓷基复合材料销钉试样2并放入剪切强度测试模具中的圆柱形模具1的径向通槽中，将两个模块3置于径向通槽中并压在陶瓷基复合材料销钉试样2上，通过螺栓4固定，最后在圆柱形模具1的轴向孔中放入压块5，使压块5底部孤形凹槽压在陶瓷基复合材料销钉试样2上；
2)、将带有陶瓷基复合材料销钉的模具放在试验机上，并控制试验机上夹头向下移动，使试样承受微小剪切应力；
3)、将实验机的载荷传感器和位移传感器与试验机的计算机连接；
4)、采用位移控制的加载方式测试陶瓷基复合材料销钉试样2的载荷-位移曲线和剪切强度：
a)、假设剪切试验机下夹头的位移为u，加载前设定为u＝0；
b)、控制试验机的执行机构带动上夹头向下移动施加位移，直到陶瓷基复合材料销钉试样2受剪切力破坏，位移为u＝Δu；
5)、将位移传感器和载荷传感器得到的陶瓷基复合材料销钉试样2数据进行处理，将力除以陶瓷基复合材料销钉试样2的横截面积得到陶瓷基复合材料销钉试样2的载荷-位移曲线和剪切强度。
实施例1
采用45号钢制备剪切强度测试模具中的圆柱形模具1(直径D＝80mm，H＝20mm)、模块3(宽度＝4mm，底部弧形槽R＝2mm)、螺栓4和压块5，选取长度L为80mm，直径Φ＝4mm的陶瓷基复合材料销钉试样2测试其双剪强度。
将圆柱形陶瓷基复合材料销钉试样2放入圆柱形模具1中，放入固定陶瓷基复合材料销钉试样2的模块3，然后采用螺栓4将陶瓷基复合材料销钉试样2和模块3固定，以防止在测试过程中陶瓷基复合材料销钉试样2与模块3打滑，以保证陶瓷基复合材料销钉试样2受纯剪切力，在圆柱形模具1的轴向孔中放入压块5，使压块5底部孤形凹槽压在陶瓷基复合材料销钉2上，然后将带有试样的剪切强度测试模具V放在试验机上，如图2所示。
将试验机信号线连接计算机，测量复合材料销钉剪切强度的载荷-位移数据。
启动试验机，通过执行机构III调整下夹头IV向下移动，使销钉承受微小剪切应力；
采用位移控制方式，加载速率控制在0.05mm/min条件下测试复合材料销钉的双剪强度和载荷位移曲线，具体步骤如下：假设试验机夹头的位移为u，加载前设定u＝0；加载时首先控制试验机上夹头由执行机构带动向下移动，位移为u＝Δu；然后控制拉力试验机上夹头向下运动直至试样断裂；
将试验机上力传感器测得的力和位移传感器测试的位移输出到试验机的计算机保存，将力除以试样的横截面积得到复合材料销钉的剪切强度，最终获得复合材料销钉的载荷-位移曲线，完成测试。
实施例2
采用45号钢制备剪切强度测试模具中的圆柱形模具1(直径D＝80mm，H＝20mm)、模块3(宽度＝4mm，底部弧形槽R＝2mm)、螺栓4和压块5，选取长度L为(D+H)/2-0.5＝50-0.5mm，直径Φ＝4mm的陶瓷基复合材料销钉试样2测试其单剪强度。
将陶瓷基复合材料销钉试样2放入圆柱形模具1中，放入固定陶瓷基复合材料销钉试样2的模块3，然后采用螺栓4将陶瓷基复合材料销钉试样2和模块3固定，以防止在测试过程中陶瓷基复合材料销钉试样2与模块3打滑，以保证陶瓷基复合材料销钉试样2受纯剪切力，在圆柱形模具1的轴向孔中放入压块5，使压块5底部孤形凹槽压在陶瓷基复合材料销钉2上，然后将带有试样的模具V放在试验机上，如图3所示。
将试验机信号线连接计算机，测量复合材料销钉剪切强度的载荷-位移数据。
启动试验机，通过执行机构III调整下夹头IV向下移动，使销钉承受微小剪切应力；
采用位移控制方式，加载速率控制在0.05mm/min条件下测试复合材料销钉的双剪强度和载荷位移曲线，具体步骤如下：假设试验机夹头的位移为u，加载前设定u＝0；加载时首先控制试验机上夹头由执行机构带动向下移动，位移为u＝Δu；然后控制拉力试验机上夹头向下运动直至试样断裂；
将试验机上力传感器测得的力和位移传感器测试的位移输出到试验机的计算机保存，将力除以试样的横截面积得到复合材料销钉的剪切强度，最终获得复合材料销钉的载荷-位移曲线，完成测试。
以上所述仅是本发明的优先实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种陶瓷基复合材料的剪切强度测试方法，其特征在于，测试方法所用的剪切强度测试模具包括，圆柱形模具(1)、两个模块(3)、两个螺栓(4)和压块(5)，圆柱形模具(1)轴向中心开有方形通孔，圆柱形模具(1)侧面开有与方形通孔垂直的径向通槽，径向通槽底部为半圆形，半圆形R等于陶瓷基复合材料销钉(2)试样的半径+0.5，径向通槽的宽度等于模块(3)的宽度+0.5，径向通槽的高度等于模块(3)的高度加上陶瓷基复合材料销钉(2)试样的半径+0.5；模块(3)的底部开有与陶瓷基复合材料销钉(2)试样半径相对应的弧形槽，模块(3)的宽度等于径向通槽宽度-0.5，模块(3)的高度等于径向通槽高度减去陶瓷基复合材料销钉(2)试样的半径-0.5；每个模块(3)的长度＝(D-H)/2，其中D为圆柱形模具(1)的直径，H为圆柱形模具(1)轴向方形通孔的径向宽度；在圆柱形模具(1)的顶部径向开两个螺纹孔，两个螺纹孔的中心连线与径向通槽底部的轴线平行，螺纹孔轴线与径向通槽底部的轴线垂直且相交，两个螺纹孔中心间距＝(D+H)/2，螺纹孔直径大于等于模块(3)的宽度，螺纹孔的底部与径向通槽顶部相接，压块(5)的尺寸和形状与圆柱形模具(1)的轴向中心通孔相对应，且底部开有与陶瓷基复合材料销钉(2)对应的弧形凹槽，压块(5)的高度突出于圆柱形模具(1)顶面5-10mm；制备剪切强度测试模具所用材料的弹性模量应大于测试试样的弹性模量；测试步骤是，
1)、制作陶瓷基复合材料销钉(2)试样并放入剪切强度测试模具中的圆柱形模具(1)的径向通槽中，将两个模块(3)置于径向通槽中并压在陶瓷基复合材料销钉(2)上，通过螺栓(4)固定，最后在圆柱形模具(1)的轴向孔中放入压块(5)，使压块(5)底部孤形凹槽压在陶瓷基复合材料销钉(2)上；
2)、将带有陶瓷基复合材料销钉的模具放在试验机上，并控制试验机上夹头向下移动，使试样承受微小剪切应力；
3)、将实验机的载荷传感器和位移传感器与试验机的计算机连接；
4)、采用位移控制的加载方式测试陶瓷基复合材料销钉(2)试样的载荷-位移曲线和剪切强度：
a)、假设剪切试验机下夹头的位移为u，加载前设定为u＝0；
b)、控制试验机的执行机构带动上夹头向下移动施加位移，直到陶瓷基复合材料销钉(2)试样受剪切力破坏，位移为u＝Δu；
5)、将位移传感器和载荷传感器得到的陶瓷基复合材料销钉(2)试样数据进行处理，将力除以陶瓷基复合材料销钉(2)试样的横截面积得到陶瓷基复合材料销钉(2)试样的载荷-位移曲线和剪切强度。
2.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料的剪切强度测试方法，其特征在于：陶瓷基复合材料销钉(2)的长度，当进行双剪强度测试时，陶瓷基复合材料销钉(2)的长度为圆柱形模具(1)的直径D，当进行单剪测试时，陶瓷基复合材料销钉(2)的长度为(D+H)/2-0.5。
3.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料的剪切强度测试方法，其特征在于：陶瓷基复合材料销钉(2)的单剪和双剪强度均采用位移控制模式且加载速率均为0.01～0.05mm/min。
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