CN109540694B - 用于测试ⅱ型裂纹断裂韧性的预制裂纹偏置三点弯试验装置 - Google Patents

用于测试ⅱ型裂纹断裂韧性的预制裂纹偏置三点弯试验装置 Download PDF

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Abstract

用于测试Ⅱ型裂纹断裂韧性的预制裂纹偏置三点弯试验装置，包括试样、下端夹具、引伸计、冲锤、支撑辊，两个支撑辊水平放置在下端夹具上，且位于同一水平面上，试样支撑在支撑辊上；试样是长方体，两个支撑辊与试样的支撑点对称于纵向中心轴，且距离纵向中心轴1.4W；试样的底面上设有对称于纵向中心轴的两个尖型卡口和V型开口槽，两个尖型卡口间距离为引伸计的标准量程，左侧卡口尖点与V型开口槽尖端平齐，V型开口槽垂直向上，V型开口槽的尖端有预制裂纹，V型开口槽距离纵向中心轴0.7W，尖型卡口距离纵向中心轴1W，预制裂纹中心线距离两侧支撑辊的距离为1:3；引伸计的刀口卡在两个尖型卡口上；冲锤位于试样1的上面，与预制裂纹在同一竖直线上。

Description

用于测试Ⅱ型裂纹断裂韧性的预制裂纹偏置三点弯试验装置
技术领域
本发明涉及一种Ⅱ型裂纹断裂韧性的测试试件。
技术背景
材料断裂韧性是断裂力学的一个基本参数，是材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量，也是材料抵抗脆性破坏的韧性参数；它和裂纹本身的大小、形状及外加应力大小无关，是材料固有的特性，只与材料本身、热处理及加工工艺有关。是应力强度因子的临界值；常用断裂前物体吸收的能量或外界对物体所作的功表示。
基本的断裂模式有Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型；Ⅰ型断裂也叫张开型断裂 (open mode)，是一种最为危险也是研究最为深入的断裂模式；Ⅱ型断裂也叫滑移型断裂(slide mode)，Ⅲ型断裂也叫撕裂型断裂 (twist mode)，它们都和剪切应力有关；关于Ⅰ型裂纹基本参数的测量已经有了长期的发展，测试方法有些已经形成标准，如用于测量Ⅰ型断裂参数的紧凑拉伸实验，单边切口拉伸实验、双边切口拉伸实验、单边切口三点弯曲实验，中心裂纹压缩试验等。
Ⅰ型裂纹对应的力的方向与裂纹延展方向精确垂直，Ⅱ型裂纹对应的力的方向则主要是沿着裂纹面的扩展方向，即Ⅱ型裂纹扩展主要受剪切力作用，通常而言，并没有标准的研究Ⅱ型裂纹扩展速率的试样。而我们所设计的新型预制裂纹偏置三点弯试样，在引伸计开口的远离中点的一侧进行裂纹预制，在理想状态下，使初始裂纹方向与主受力方向一致，垂直方向上的应力相较于主应力方向要远远小得多，如果同时有一种方法(类似于柔度法的变形)，能通过引伸计张口位移计算出裂纹深度，那么，困扰力学界多年的二型裂纹的试验方法将有革命性的进展，Ⅱ型裂纹的疲劳扩展将是一个新的可研究的课题；因此，有必要设计发明一种一种稳定性很好、精确度很高、可靠性强的预制裂纹偏置的三点弯试样，为Ⅱ型裂纹疲劳扩展课题提供实验支撑。
发明内容
本发明要克服现有技术的上述缺点，提供了一种稳定性很好、精确度很高、可靠性强的用于测试Ⅱ型裂纹断裂韧性的预制裂纹偏置三点弯试验装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
用于测试Ⅱ型裂纹断裂韧性的预制裂纹偏置三点弯试验装置，其特征在于：包括试样1、下端夹具2、引伸计3、冲锤4、支撑辊5，两个支撑辊5水平放置在下端夹具2上，且位于同一水平面上，试样 1支撑在支撑辊5上；
试样1是长方体，试样1的长度是宽度的4倍及以上，厚度是宽度的1/2，以W表示宽度尺寸；将垂直于试样1的长边的横截面为参考面，穿过参考面的形心且平行于试样1的长边的轴为纵向中心轴；两个支撑辊5与试样1的支撑点对称于纵向中心轴，且距离纵向中心轴1.4W；试样1的底面上设有对称于纵向中心轴的两个尖型卡口12 和V型开口槽11，两个尖型卡口间距离为引伸计的标准量程，左侧卡口尖点与V型开口槽11尖端平齐，V型开口槽11垂直向上，V 型开口槽11的尖端有预制裂纹，V型开口槽11距离纵向中心轴 0.7W，尖型卡口12距离纵向中心轴1W，预制裂纹中心线距离两侧支撑辊5的距离为1:3；引伸计3的刀口卡在两个尖型卡口12上；冲锤4位于试样1的上面，与预制裂纹在同一竖直线上。优选地，下端夹具2的上端为U型，U型部分两臂要保证垂直于下端，同时两个顶点有两个水平平面，另顶点还有L状的岔口，用来保证辊子的左右位置；下端为T型，T型下端要保证垂直于上端。
优选地，支撑辊5为圆柱状，直径大于0.5W，两端有小圆柱，小圆柱上安装软绳或橡皮筋。
优选地，冲锤4为平板状，冲锤4上端夹到试验机的夹头上，冲锤4下端有个半圆柱，用来施加载荷，半圆柱的半径大于0.25W。
本发明的测试方式为两点支撑，一点增力加载方式；试样与两个支撑辊的接触点作为承力点，加上V型槽开口和预制裂纹的存在，加载力和支撑力都平行于预置裂纹扩展方向，使得主应力方向平行于裂纹理想的扩展路径，即裂纹扩展受剪切力作用，而后在尖口处能通过引伸计张口位移计算出V型槽处的裂纹深度，很好的解决了II型滑移型裂纹测试的难题。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
(1)利用本发明Ⅱ型裂纹断裂韧性的测试试件，可以保证相对的纯剪切应变，保证试件断裂为Ⅱ型裂纹断裂。；
(2)本发明的试件简单易于操作与加工，实验简单，有利于较少实验经费；
(3)利用本发明的试件配合专用的夹具即可在万能实验机上完成断裂韧性的测试，因而实验系统简单，有利于消除测试的系统误差；
(4)本发明试件在试件未断裂之前，可以测量材料的剪切模量；
(5)实践证明，II型裂纹断裂韧性的测试试件能够用于II型裂纹断裂韧性的测试，而且本实验装置相对于其它实验装置有较高的准确率；
附图说明
图1是本发明Ⅱ型裂纹断裂韧性的测试试件的原理图；
图2是本发明Ⅱ型裂纹断裂韧性的测试装置的示意图；
图3是图2中支撑辊5的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，一种用于测试Ⅱ型裂纹断裂韧性的预制裂纹偏置三点弯试样的原理图，图中A、B、C是施力点，所述试件1为长方形平板试件，长度﹥宽度﹥厚度，设试样1宽度为W，长度大于或等于宽度的4倍，厚度尺寸为宽度尺寸的1/2；如图中所示尖端V型开口槽11位于距式样纵向中心轴的左侧，距纵向中心轴0.7W，然后在关于纵向中心轴对称的左右两侧两个尖型卡口12，所述两个尖型卡口 12的距离为所述引伸计的标准量程(10mm)，其左侧卡口尖点与V 型开口槽11尖端平齐。
如图2所示，预制裂纹偏置三点弯试样装置结构示意图，包括：试样1、下端夹具2、引伸计3、冲锤4、支撑辊5，所述试样1位于两个水平放置支撑辊5上，支撑辊5起支撑式样的作用，试样1受力点位于图1所示A、B两点；所述冲锤4位于试样1的上面，与预制裂纹在同一竖直方向上，其接触点为图1C点；所述实验系统配套引伸计3刀口卡安置于试样1上，具体为图1所述两尖型卡口12。
本发明II型裂纹断裂韧度的测试试件使用过程如下(结合图1、 2)：
首先下端夹具2夹在试验机下夹头上，使整套装置基础固定。下端夹具2的上端，有两个在同一个水平面的小平面，上面放置两个尺寸相同的支撑辊5，支撑辊5底部可以添加填充物使支撑辊调整好位置后不动。
而后，试件水平放置于与两个支撑辊5上，支撑辊与试样1接触，支撑试样的下表面，在图1中的A、B点提供支撑力。另将上端冲锤 4夹在试验机上夹头上，调整机架位置，使冲锤4与试样1上边缘的接触点保持在图1中的C点。
再之后，将与实验程序配套的引伸计3的刀口卡在试样1上，具体是卡在图1的两个尖型卡口12上。
最后，在试验机程序中引入试样尺寸的参数值，而后上端增力加载，使得试样破坏，通过引伸计3张口位移算的裂纹深度和相关力学参数，可以比较准确地计算出II型裂纹的断裂韧度，并转化计算其冲击功。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (2)

1.用于测试Ⅱ型裂纹断裂韧性的预制裂纹偏置三点弯试验装置，其特征在于：包括试样（1）、下端夹具（2）、引伸计（3）、冲锤（4）、支撑辊（5），两个支撑辊（5）水平放置在下端夹具（2）上，且位于同一水平面上，试样（1）支撑在支撑辊（5）上；
试样（1）是长方体，试样（1）的长度是宽度的4倍及以上，厚度是宽度的1/2，以W表示宽度尺寸；将垂直于试样（1）的长边的横截面为参考面，穿过参考面的形心且平行于试样（1）的长边的轴为纵向中心轴；两个支撑辊（5）与试样（1）的支撑点对称于纵向中心轴，且距离纵向中心轴1.4W；试样（1）的底面上设有对称于纵向中心轴的两个尖型卡口（12），左侧尖型卡口设有V型开口槽（11），两个尖型卡口间距离为引伸计的标准量程，左侧卡口尖点与V型开口槽（11）尖端平齐，V型开口槽（11）垂直向上，V型开口槽（11）的尖端有预制裂纹，V型开口槽（11）距离纵向中心轴0.7W，尖型卡口（12）距离纵向中心轴1W，预制裂纹中心线距离两侧支撑辊（5）的距离为1:3；引伸计（3）的刀口卡在两个尖型卡口（12）上；冲锤（4）位于试样（1）的上面，与预制裂纹在同一竖直线上；
支撑辊（5）为圆柱状，直径大于0.5 W，两端有小圆柱，小圆柱上安装软绳或橡皮筋；冲锤（4）为平板状，冲锤（4）上端夹到试验机的夹头上，冲锤（4）下端有个半圆柱，用来施加载荷，半圆柱的半径大于0.25W。
2.如权利要求1所述的用于测试Ⅱ型裂纹断裂韧性的预制裂纹偏置三点弯试验装置，其特征在于：下端夹具（2）的上端为U型，U型部分两臂垂直于下端部分，同时两个顶点有水平平面，顶点还有用于限制辊子的位置的L状的岔口；下端部分为T型。
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