CN107328642A - 一种测试复合材料界面剪切强度的模具及方法 - Google Patents

一种测试复合材料界面剪切强度的模具及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种测试复合材料界面剪切强度的模具及方法。该模具包括基座和刃具，基座设有上下贯通的刃具滑动槽，刃具可滑动的安装在刃具滑动槽中；基座上设有第一试样孔、第一螺栓孔、观察窗口和豁口；刃具上设有第二试样孔和第二螺栓孔。本发明通过基座和刃具的相对运动来测试试样的剪切强度，在刃具上施加载荷，大大降低了对试样强度的要求，也降低了对试样加工精度的要求。

Description

一种测试复合材料界面剪切强度的模具及方法
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，具体的，涉及一种用于测试复合材料界面剪切强度的模具及方法。
背景技术
金属复合材料是由两层或多层不同性能的金属通过一定结合方法结合形成的一种复合材料。与单组元材料相比，经过合理设计组合后的结构层状复合材料可以获得相对较高的强度及较好的耐蚀、耐磨性能，而功能层状复合材料则具有优异的导电、导热及导磁等综合性能。
金属复合材料的界面由于受制造工艺、生产条件等因素的影响，可能会产生结合不均匀甚至部分未结合的情况，从而在实际使用过程中引发严重的质量事故，因此界面结合质量成为人们关注的焦点问题，并已经成为评价金属层状复合材料性能优劣的主要指标。评价金属层状复合材料界面结合性能的方法有很多种，定性的评价方法主要有弯曲试验和冲击试验等，定量评价方法有剪切试验、剥离试验、界面结合度试验、压痕试验及粘结拉伸试验等，无损检测方法主要有超声检测技术、红外热波成像技术、声-超声技术、微波检测技术等。
目前的检测金属复合材料界面剪切强度的方法，将试样利用夹具固定，在基层上施加载荷，以检测剪切强度。该方法存在某些不足，例如：仅适用于基层和复合层强度较高的材料，如钢材、镍材等材料，对于强度较低的材料，如1系、3系铝合金，铜合金等材料并不适用。1系、3系铝合金，铜合金使用目前的方法测试剪切强度，会发生基层或复合层弯曲变形的情况，导致检测试验失败。该方法对被检试样的加工要求高，且在测试过程中，对压剪刃具和试样位置要求非常高，若加工的试样受剪切面并非基层和复合层结合界面处，将会严重影响测试结果。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种测试复合材料界面剪切强度的模具及方法，利用结构简单、操作方便的模具进行金属复合材料界面剪切强度的评价，保证试验的成功率。
一方面，本发明提供一种测试复合材料界面剪切强度的模具，包括基座和刃具，所述基座设有上下贯通的刃具滑动槽，所述刃具可滑动的安装在所述刃具滑动槽中；
所述刃具滑动槽的a侧壁上设有水平方向的第一试样孔，与所述刃具滑动槽的a侧壁平行的基座外壁上设有第一螺栓孔，所述第一螺栓孔与所述第一试样孔连通，且其孔径大于所述第一螺栓孔的孔径，所述第一螺栓孔内安装有第一定位螺栓；
与所述刃具滑动槽的a侧壁垂直的所述基座的外壁上，设有用于观察试样的观察窗口；
在所述基座与第一试样孔相对的一侧设有豁口，所述豁口与所述刃具滑动槽贯通，所述豁口的宽度大于所述刃具的宽度；
与所述第一试样孔对应的所述刃具的侧壁上设有水平方向的第二试样孔，所述第二试样孔的孔径等于所述第一试样孔的孔径。
作为本发明优选的方案，与所述第二试样孔相对的所述刃具的侧壁上设有第二螺栓孔，所述第二试样孔与所述第二螺栓孔连通，所述第二试样孔的孔径大于所述第二螺栓孔的孔径，所述第二螺栓孔内安装有第二定位螺栓。
进一步的，本发明的模具包括定位销，所述刃具滑动槽的侧壁上设有第一定位槽，所述刃具上设有与所述第一定位槽对应的第二定位槽，所述定位销安装在所述第一定位槽和第二定位槽中。
作为本发明优选的方案，所述基座与刃具之间的间隔为0.5～0.7mm。
作为本发明优选的实施方案，所述豁口的宽度等于所述刃具滑动槽的宽度。
具体的，本发明的模具中，所述观察窗口的一个侧壁与所述刃具滑动槽的a侧壁共面。
另一方面，本发明提供一种利用上述模具测试复合材料界面剪切强度的方法，包括以下步骤：
A、将被检测的复合材料加工成圆柱形或方形的原始件；
B、在所述原始件上加工凹槽，作为试样，所述凹槽宽度为0.2～0.5mm，所述试样的界面位于所述凹槽范围内；
C、将所述试样的一端放入所述第一试样孔内；
D、将所述刃具通过所述基座的豁口推入刃具滑动槽，所述刃具进入所述刃具滑动槽的同时，所述试样的另一端进入所述第二试样孔；
E、旋转所述第一定位螺栓，调整试样的位置，通过所述观察窗口查看所述试样的位置，使所述试样上的凹槽边缘与所述刃具滑动槽的a侧壁或刃具的侧壁对齐，所述试样的界面位于所述基座与刃具之间；
F、在所述刃具上施加竖直方向的载荷，将所述试样的复合层从基层材料上沿界面剪切下来，记录所述载荷的变化，选取最大载荷F；
G、计算剪切强度τ，τ＝F/S，其中S＝πL2/4，L为所述界面的直径。
作为本发明优选的方案，所述步骤D之后包括步骤：所述刃具进入所述刃具滑动槽后，将所述定位销插入所述第一定位槽和第二定位槽。
作为本发明优选的方案，所述步骤E之后包括步骤：旋转所述第二定位螺栓，固定所述试样。
作为本发明优选的方案，所述试样上凹槽的深度为0.4～0.6mm。
本发明提供的测试复合材料界面剪切强度的模具及方法，在刃具上施加载荷，对复合材料强度的要求大大降低；在复合材料的界面处开设凹槽作为标记，允许凹槽的位置有一定误差范围，降低了对加工精度的要求；在试验过程中，模具与试样之间没有摩擦产生，不影响测试结果。
附图说明
图1是本发明实施例的模具爆炸图；
图2是本发明实施例基座结构示意图；
图3是本发明实施例基座第一试样孔的剖视图；
图4是本发明实施例刃具结构示意图；
图5是本发明实施例刃具第二试样孔的剖视图；
图6是本发明实施例试样的示意图；
图7是本发明实施例的模具夹持试样的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。
如图1所示，本发明实施例提供一种用于测试复合材料界面剪切强度的模具，该模具包括基座1和刃具2。试验时，试样6的基层位于基座1内，复合层位于刃具2内，刃具2相对于基座1移动，使得试样6的界面受剪切力，即可测试复合材料界面的剪切强度。
如图1、图2和图3所示，基座1上设有上下贯通的刃具滑动槽11，刃具2可滑动的安装在刃具滑动槽11中，实现刃具2与基座1的相对位移。
以刃具滑动槽的a侧壁111为基准，在刃具滑动槽的a侧壁111上开设水平方向的第一试样孔12，第一试样孔12用于放置试样。在与刃具滑动槽的a侧壁平行的基座外壁(基座的左侧壁)上开设第一螺栓孔13，第一螺栓孔13与第一试样孔12连通。第一螺栓孔13为螺纹孔，第一螺栓孔13内安装有第一定位螺栓3。第一试样孔12的孔径大于第一螺栓孔13的孔径，这样第一定位螺栓3可以穿过第一螺栓孔13，深入到第一试样孔12。试验时，旋转第一定位螺栓3可调整试样6的位置，也可对试样6起到固定作用。
在与刃具滑动槽的a侧壁111垂直的基座的外壁(基座的前壁)上开有观察窗口14。观察窗口14也可设在基座的后壁上。观察窗口14用于观察试样，在放置试样时，可观测试样的位置，在施加载荷时，可观测试样的变形。本发明实施例中，观察窗口14的一个侧壁与刃具滑动槽的a侧壁111共面，便于对模具的加工制造。
在基座上与第一试样孔12相对的一侧(基座的右侧)设有豁口15。开设豁口15是为了方便刃具2装入刃具滑动槽11。豁口15与刃具滑动槽11贯通，豁口15的宽度需大于刃具2的宽度，以便刃具2顺利进入刃具滑动槽11。
如图1、图4和图5所示，刃具2为长方体的形状。刃具的侧壁21与第一试样孔12相对应，在刃具的侧壁21上设有水平方向的第二试样孔22。第二试样孔22与第一试样孔12相对，试验时，试样的一端位于第一试样孔12，另一端位于第二试样孔22。第二试样孔22的孔径等于第一试样孔12的孔径，便于试样的放置和固定。
在刃具与第二试样孔相对的侧壁23上，开设有第二螺栓孔24，第二试样孔22与第二螺栓孔24连通。第二螺栓孔24为螺纹孔，第二螺栓孔24内装安有第二定位螺栓4。第二试样孔22的孔径大于第二螺栓孔24的孔径，这样第二定位螺栓4可以穿过第二螺栓孔24，深入第二螺栓孔22内。试验时，旋转第二定位螺栓4，与第一定位螺栓3配合，实现试样6的位置调节及固定。
为了便于试样的观察及刃具2在刃具滑动槽11内的滑动，在基座1与刃具2之间设有0.5～0.7mm的间隔。间隔过小不利于试样的观察，间隔过大不利于刃具2在刃具滑动槽11内的滑动。
更进一步的，为了保证刃具2在刃具滑动槽11内移动的精度，避免刃具2移动的错位，在刃具滑动槽的侧壁上设有第一定位槽16，在刃具2上，与第一定位槽16对应的设有第二定位槽25。本发明实施例中，模具还包括定位销5。试验时，先将刃具2推入刃具滑动槽11内，第一定位槽16与第二定位槽25相对，将定位销5插入第一定位槽16和第二定位槽25中，可以对刃具2起到导向的作用。
另一方面，本发明实施例提供一种利用上述模具测试复合材料界面剪切强度的方法，包括以下步骤：
1、将被检测的复合材料加工成圆柱形的原始件。
2、如图6所示，在原始件上加工凹槽61，作为试样；凹槽61为V形或U形，凹槽61宽度为0.2～0.5mm，凹槽61的深度为0.4～0.6mm；试样基层X与复合层Y的界面62位于凹槽61的范围内。
3、将试样6的一端放入第一试样孔12内。
4、将刃具2通过基座的豁口15推入刃具滑动槽11，刃具2进入刃具滑动槽11的同时，试样6的另一端进入第二试样孔22。
5、刃具2进入刃具滑动槽11后，将定位销5插入第一定位槽16和第二定位槽25。
6、如图7所示，旋转第一定位螺栓3，调整试样6的位置，通过观察窗口14查看试样的位置，使试样6上的凹槽边缘与刃具滑动槽的a侧壁或刃具的侧壁对齐，试样6的界面位于基座1与刃具2之间，旋转第二定位螺栓4，固定试样6。
7、在刃具2上施加竖直方向的载荷Z，将试样6的复合层从基层材料上沿界面剪切下来，记录载荷的变化，选取最大载荷F。
8、计算剪切强度τ，τ＝F/S，其中S＝πL2/4，L为界面的直径。
本发明实施例中，原始件并不一定为圆柱形，方形的也可用于测试，只是圆柱形的原始件便于加工。
图7中的虚线箭头指的是试样6上的凹槽边缘与刃具滑动槽的a侧壁或刃具的侧壁对齐。
将试样上凹槽61宽度限定为0.2～0.5mm，凹槽61的深度限定为0.4～0.6mm，是为了便于试样的加工，同时又能保证操作人员便于观察到凹槽。本发明实施例，只要求试样的界面62位于凹槽61的范围即可，大大降低了对加工精度的要求，允许了一定的误差。
本发明实施例的测试复合材料界面剪切强度的模具及方法，在刃具上施加载荷，而不是在试样上施加载荷，这就大大降低了对复合材料强度的要求。在试验过程中，模具与试样之间不会有摩擦产生，不会因摩擦而影响测试结果。
实施例1
本实施例使用3003铝合金和5754铝合金复合板材进行检测。
将3003铝合金和5754铝合金经过热轧复合成板材，复合板厚度30mm，其中3003铝合金20mm，5754铝合金10mm。
将3003铝合金和5754铝合金复合板经热处理成为O态，3003铝合金抗拉强度110MPa，5754铝合金抗拉强度220MPa。
将3003铝合金和5754铝合金复合板加工成为Φ10mm的圆柱形棒材，作为原始件。
在原始件的界面处加工一宽0.5mm、深0.4mm的V形凹槽，界面接触面积S＝66.4mm2，作为试样。
将试样一段伸入基座的第一试样孔中，V形凹槽与第一试样孔的端面平齐，转动第一定位螺栓，将试样在基座中位置固定。
推动刃具进入刃具滑动槽，将试样的另一端插入第二试样孔，转动第二定位螺栓，固定试样在刃具中位置。
将定位销放置在第一定位槽和第二定位槽内，固定刃具与基座位置。
将装配好的模具放置到力学试验机上，刃具上方开始施加力，施力速度为5mm/s，试验进行直至界面被破坏停止，读出最大力F＝6.12KN。
计算界面结合强度τ＝F/S＝92.2MPa。
实施例2
本实施例使用3003铝合金和5754铝合金复合板材进行检测。
将3003铝合金和5754铝合金经过热轧复合成板材，复合板厚度30mm，其中3003铝合金20mm，5754铝合金10mm。
将3003铝合金和5754铝合金复合板经热处理成为O态，3003铝合金抗拉强度110MPa，5754铝合金抗拉强度220MPa。
将3003铝合金和5754铝合金复合板加工成为Φ10mm的圆柱形棒材，作为原始件。
在原始件的界面处加工一宽0.2mm、深0.6mm的U形凹槽，界面接触面积S＝60.8mm2，作为试样。
将试样一段伸入基座的第一试样孔中，V形凹槽与第一试样孔的端面平齐，转动第一定位螺栓，将试样在基座中位置固定。
推动刃具进入刃具滑动槽，将试样的另一端插入第二试样孔，转动第二定位螺栓，固定试样在刃具中位置。
将定位销放置在第一定位槽和第二定位槽内，固定刃具与基座位置。
将装配好的模具放置到力学试验机上，刃具上方开始施加力，施力速度为5mm/s，试验进行直至界面被破坏停止，读出最大力F＝5.93KN。
计算界面结合强度τ＝F/S＝97.5MPa。
需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本发明而非限制本发明的范围，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的范围之内。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。

Claims (10)

1.一种测试复合材料界面剪切强度的模具，其特征在于，包括基座和刃具，所述基座设有上下贯通的刃具滑动槽，所述刃具可滑动的安装在所述刃具滑动槽中；
所述刃具滑动槽的a侧壁上设有水平方向的第一试样孔，与所述刃具滑动槽的a侧壁平行的基座外壁上设有第一螺栓孔，所述第一螺栓孔与所述第一试样孔连通，且其孔径大于所述第一螺栓孔的孔径，所述第一螺栓孔内安装有第一定位螺栓；
与所述刃具滑动槽的a侧壁垂直的所述基座的外壁上，设有用于观察试样的观察窗口；
在所述基座与第一试样孔相对的一侧设有豁口，所述豁口与所述刃具滑动槽贯通，所述豁口的宽度大于所述刃具的宽度；
与所述第一试样孔对应的所述刃具的侧壁上设有水平方向的第二试样孔，所述第二试样孔的孔径等于所述第一试样孔的孔径。
2.根据权利要求1所述的模具，其特征在于，与所述第二试样孔相对的所述刃具的侧壁上设有第二螺栓孔，所述第二试样孔与所述第二螺栓孔连通，所述第二试样孔的孔径大于所述第二螺栓孔的孔径，所述第二螺栓孔内安装有第二定位螺栓。
3.根据权利要求1所述的模具，其特征在于，进一步包括定位销，所述刃具滑动槽的侧壁上设有第一定位槽，所述刃具上设有与所述第一定位槽对应的第二定位槽，所述定位销安装在所述第一定位槽和第二定位槽中。
4.根据权利要求1所述的模具，其特征在于，所述基座与刃具之间的间隔为0.5～0.7mm。
5.根据权利要求1所述的模具，其特征在于，所述豁口的宽度等于所述刃具滑动槽的宽度。
6.根据权利要求1所述的模具，其特征在于，所述观察窗口的一个侧壁与所述刃具滑动槽的a侧壁共面。
7.一种利用权利要求1～6任一所述模具测试复合材料界面剪切强度的方法，其特征在于，包括步骤：
A、将被检测的复合材料加工成圆柱形或方形的原始件；
B、在所述原始件上加工凹槽，作为试样，所述凹槽宽度为0.2～0.5mm，所述试样的界面位于所述凹槽范围内；
C、将所述试样的一端放入所述第一试样孔内；
D、将所述刃具通过所述基座的豁口推入刃具滑动槽，所述刃具进入所述刃具滑动槽的同时，所述试样的另一端进入所述第二试样孔；
E、旋转所述第一定位螺栓，调整试样的位置，通过所述观察窗口查看所述试样的位置，使所述试样上的凹槽边缘与所述刃具滑动槽的a侧壁或刃具的侧壁对齐，所述试样的界面位于所述基座与刃具之间；
F、在所述刃具上施加竖直方向的载荷，将所述试样的复合层从基层材料上沿界面剪切下来，记录所述载荷的变化，选取最大载荷F；
G、计算剪切强度τ，τ＝F/S，其中S＝πL2/4，L为所述界面的直径。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤D之后包括步骤：所述刃具进入所述刃具滑动槽后，将所述定位销插入所述第一定位槽和第二定位槽。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤E之后包括步骤：旋转所述第二定位螺栓，固定所述试样。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述试样上凹槽的深度为0.4～0.6mm。
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