CN109781518A - 一种粘弹性材料细观尺度下ii型断裂试验夹具及其试验方法 - Google Patents
一种粘弹性材料细观尺度下ii型断裂试验夹具及其试验方法 Download PDFInfo
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Abstract
本申请公开了一种粘弹性材料细观尺度下II型断裂试验夹具及其试验方法,该夹具包括以下组件:带有两个卡榫的底座、中心对称的夹具主体A和夹具主体B、预制裂缝挡片;试验方法包括以下步骤:涂刷隔离液,固定夹具主体,安装预制裂缝挡片,浇筑试件,刮平与脱模,SEM‑serve设备安装,施加荷载并记录数据,计算II型断裂强度及断裂能。该试验方法能够基于SEM‑serve设备实现细观尺度下的粘弹性材料的断裂力学指标测定,能够消除宏观尺度试验中尺寸效应、边界条件等因素的影响;该试验夹具能够实现材料试件的裂缝尖端处于纯粹的II型断裂模式,能够消除宏观试验中结构因素引起的I型断裂模式干扰。
Description
技术领域
本发明涉及一种粘弹性材料细观尺度下II型断裂试验夹具及其试验方法,属于材料工程技术领域。
背景技术
断裂行为是材料工程研究领域中的重要课题,其中II型断裂又是研究的难点之一。II型断裂定义为沿裂缝平面的纯剪切作用下的断裂行为,通过II型断裂试验可以获取II型断裂力学指标,用于断裂力学分析。传统的宏观尺度断裂试验,如三点弯曲试验和半圆弯曲试验,都可以通过调节支座位置来实现材料试件不同的断裂模式。但因为结构因素的影响,这些试验都难以保证材料试件裂缝尖端处于纯粹的剪切状态,即难以实现纯粹的II型断裂模式,试验结果中包含了I型断裂的干扰,无法定量消除,影响试验结果的准确性。另一方面,宏观尺度下的断裂试验面临尺寸效应、边界效应的影响,使得试验结果反映的更多的是试件的结构性能,而不是力学分析中真正需要的材料性能。本发明提供了一种粘弹性材料细观尺度下II型断裂试验夹具及其试验方法,很好地解决了上述两方面的不足。
发明内容
解决的技术问题:本申请主要是提出一种粘弹性材料细观尺度下II型断裂试验夹具及其试验方法,解决现有技术中存在的难以实现纯粹的II型断裂加载模式、难以消除结构影响实现纯粹的材料断裂行为等技术问题。
技术方案:一种粘弹性材料细观尺度下II型断裂试验夹具,由三部分组成,分别为:底座、夹具主体和预制裂缝挡片,所述底座上表面设有两个凸起的卡榫;夹具主体由中心对称的夹具主体A和夹具主体B两部分组成,所述夹具主体A和夹具主体B底部设有卡槽,夹具主体A和夹具主体B通过卡槽卡入底座的卡榫中,夹具主体A和夹具主体B的连接位置围成一块内陷式试件浇筑区,用来浇筑粘弹性材料试件;预制裂缝挡片由两个相同的挡片组成,所述夹具主体A和夹具主体B上有与预制裂缝挡片同样形状的凹槽,挡片竖直插入凹槽内固定。
作为本发明的一种优选技术方案:所述粘弹性材料细观尺度下II型断裂试验夹具的试验方法,包括以下步骤:
第一步,涂刷隔离液:将隔离液均匀涂刷于底座的上表面;
第二步,固定夹具主体:将夹具主体A和夹具主体B底部的卡槽对齐底座上的卡榫,固定夹具的水平位置;
第三步,安装预制裂缝挡片:在预制裂缝挡片伸入到试件浇筑区的表面上粘贴特氟龙胶带,将预制裂缝挡片对齐夹具主体A和夹具主体B上的凹槽,竖直插入;
第四步,浇筑试件:加热材料试样,将试样逐渐浇筑于试件浇筑区内;
第五步,刮平与脱模:静置冷却试件,加热刮刀,刮平试件浇筑区凸出的试样,拔出预制裂缝挡片,并将夹具主体A和夹具主体B连同中间的材料试件整体平移,推出底座上的卡榫;
第六步,SEM-serve设备安装:将夹具主体A和夹具主体B连同中间的粘弹性材料试件,水平放入到SEM-serve设备的楔形夹具中,使楔形夹具夹紧夹具主体A和夹具主体B;
第七步,施加荷载并记录数据:先施加预加荷载,消除试验装置的初始扰动,再施加等应变率荷载,记录张力-位移曲线;
第八步,计算II型断裂强度及断裂能:根据记录的张力-位移曲线,计算试样材料在II型断裂模式下的断裂强度及断裂能。
作为本发明的一种优选技术方案:所述试底座尺寸为长45mm、宽15mm、高5mm,卡榫长2mm、宽2mm、高5mm,材料采用45#钢。
作为本发明的一种优选技术方案:所述试夹具主体A和夹具主体B连接处围出长10mm、宽5mm的粘弹性材料试件浇筑区,组合后夹具主体外边缘尺寸为长45mm、宽15mm、高5mm;夹具主体A和夹具主体B底部均设有一个卡槽,卡槽尺寸与底座上的卡榫相同,夹具主体A和夹具主体B通过卡槽卡入卡榫以固定夹具主体的水平位置;在粘弹性材料试件浇筑区两侧位置,设有安装预设裂缝挡片的凹槽;夹具主体材料采用45#钢,试件浇筑区内壁表面粗糙度为Ra0.2μm。
作为本发明的一种优选技术方案:所述预制裂缝挡片分别位于试件浇筑区的两侧中部,呈Y字型,包含三个分叉,其中最长的分叉厚度为0.1mm,伸入材料试件浇筑区长度为1mm,在材料试样浇筑过程中形成预设裂缝;挡片材料采用45#钢。
作为本发明的一种优选技术方案:所述第一步和第二步中,将丙三醇与滑石粉按照质量份数比2.5:1配置成隔离液,沿一个方向将隔离液涂刷到底座上表面,然后将夹具主体A和夹具主体B对齐底座上的卡榫位置,沿竖直方向放置于底座正上方。
作为本发明的一种优选技术方案:所述第三步中,采用厚度0.08mm的特氟龙胶带,粘贴于预设裂缝挡片伸入试件浇筑区的分叉表面,然后将预设裂缝挡片竖直地插入到夹具主体A和夹具主体B中的凹槽里,预设裂缝挡片与底座接触。
作为本发明的一种优选技术方案:所述第四步和第五步中,将材料试样加热至其粘流温度以上,沿试件浇筑区边缘循环绕圈,逐渐浇筑于试件浇筑区内,最终使试样顶面高出夹具侧面高度大于1mm,保证夹具侧面与试件之间无气泡混入;静置冷却试件至25℃,加热刮刀至200℃,于5秒钟以内快速刮平试件浇筑区凸出的试样,使其与试件夹具侧面顶端平齐,静置3分钟,竖直拔出预制裂缝挡片,并将夹具主体A和夹具主体B连同中间的材料试件整体平移,推出底座卡榫。
作为本发明的一种优选技术方案:所述第七步中,施加0.1mm/min的拉伸位移荷载20s,卸除荷载20s,再施加1mm/min的等应变率荷载,记录张力-位移曲线。
作为本发明的一种优选技术方案:所述第八步中,根据试件边长L、试件厚度D,预制裂缝长度l、张力峰值Tc及破坏时的位移δf,试样材料在纯II型断裂模式下的断裂强度σc及断裂能Gf分别计算如式[1]、式[2]:
有益效果:本申请所述一种粘弹性材料细观尺度下II型断裂试验夹具及其试验方法采用以上技术方案与现有技术相比,具有以下技术效果:
1、该试验方法能够实现细观尺度下的粘弹性材料的断裂力学指标测定。
2、该试验夹具能够实现在荷载作用下裂缝尖端处于纯粹的II型断裂模式。
附图说明:
图1为本申请所述的粘弹性材料细观尺度下II型断裂试验夹具的结构示意图。
图2为本申请所述的粘弹性材料细观尺度下II型断裂试验方法的流程图。
图3为具体实施例所测得的70S3橡胶改性沥青II型断裂的张力-位移曲线。
附图标记说明:1、底座;2、卡榫;3、夹具主体A;4、夹具主体B;5、预制裂缝挡片;6、试件浇筑区。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明:
如图1所示,粘弹性材料细观尺度下II型断裂试验夹具由三部分组成,分别为:底座1、夹具主体和预制裂缝挡片5,所述底座1尺寸为长45mm,宽15mm,高5mm,底座1上表面设有两个凸起的卡榫2,卡榫2长2mm,宽2mm,高5mm,材料采用45#钢。
夹具主体由中心对称的夹具主体A3和夹具主体B4两部分组成,所述夹具主体A3和夹具主体B4底部设有卡槽,卡槽长2mm,宽2mm,夹具主体A3和夹具主体B4通过卡槽卡入底座1的卡榫2中,夹具主体A3和夹具主体B4的连接位置围成一块试件浇筑区6,试件浇筑区6长10mm,宽5mm,用来浇筑粘弹性材料试件,组合后夹具主体外边缘尺寸为长45mm,宽15mm,高5mm;预制裂缝挡片5由两个相同的挡片组成,所述夹具主体A3和夹具主体B4上有与预制裂缝挡片5同样形状的凹槽,挡片竖直插入凹槽内固定;夹具主体材料采用45#钢,试件浇筑区内壁表面粗糙度为Ra0.2μm,以便于材料试样充分粘结。
试验夹具的预设裂缝挡片5分别位于试件浇筑区的两侧中部,呈Y字型,包含三个分叉,其中最长的分叉厚度为0.1mm,伸入材料试件浇筑区长度为1mm,在材料试样浇筑过程中形成预设裂缝;挡片材料采用45#钢。
粘弹性材料细观尺度下II型断裂试验夹具的试验方法,包括以下步骤:
第一步,涂刷隔离液:将丙三醇与滑石粉按照质量份数比2.5:1配置成隔离液,沿一个方向将隔离液涂刷到底座上表面,隔离液均匀涂刷于底座1的上表面;
第二步,固定夹具主体:将夹具主体A3和夹具主体B4底部的卡槽对齐底座1上的卡榫2,固定夹具的水平位置;
第三步,安装预制裂缝挡片:在预制裂缝挡片5伸入到试件浇筑区6的表面上粘贴特氟龙胶带,采用厚度0.08mm的特氟龙胶带,粘贴于预设裂缝挡片5伸入试件浇筑区的分叉表面,使得浇筑的材料试样于挡片不粘结,便于脱模,然后将预设裂缝挡片5竖直地插入到夹具主体A3和夹具主体B4中的凹槽里,预设裂缝挡片5与底座1接触,即保证浇筑的裂缝两边贯穿;
第四步,浇筑试件:加热材料试样,将材料试样加热至其粘流温度以上,将橡胶改性沥青70S3试样加热至185℃以上,200℃以下,保证试样的流动性,避免浇筑过程中产生气泡,但同时避免材料高温老化,力学性能发生变化,沿试件浇筑区边缘循环绕圈,逐渐浇筑于夹具内,最终使试样顶面高出夹具侧面高度大于1mm,保证夹具侧面与试件之间无气泡混入;
第五步,刮平与脱模:静置冷却试件至25℃,加热刮刀至200℃,于5秒钟以内快速刮平试件浇筑区凸出的试样,使其与试件夹具侧面顶端平齐,静置3分钟,竖直拔出预制裂缝挡片5,并将夹具主体A3和夹具主体B4连同中间的材料试件整体平移,推出底座1上的卡榫2,保持夹具主体两部分之间的相对位置不变,避免中间的材料试件承受过大的扰动;
第六步,SEM-serve设备安装:将夹具主体A3和夹具主体B4连同中间的粘弹性材料试件,水平放入到SEM-serve设备的楔形夹具中,使楔形夹具夹紧夹具主体A和夹具主体B;
第七步,施加荷载并记录数据:施加0.1mm/min的拉伸位移荷载20s,用以消除试验装置的初始扰动,卸除荷载20s,再施加1mm/min的等应变率荷载,记录张力-位移曲线;
第八步,计算II型断裂强度及断裂能:根据试件边长L、试件厚度D,预制裂缝长度l、张力峰值Tc及破坏时的位移δf,试样材料在纯II型断裂模式下的断裂强度σc及断裂能Gf分别计算如式[1]、式[2]:
由图3所示的张力-位移曲线中读取张力峰值Tc=16.35N及破坏时的位移δf=2.61mm,根据试件边长L=10mm、试件厚度D=5mm,预制裂缝长度l=1mm,试样材料在纯II型断裂模式下的断裂强度σc及断裂能Gf分别计算如式[1]、式[2]:
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明,但是本发明并不限于上述实施方式,在本领域普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (10)
1.一种粘弹性材料细观尺度下II型断裂试验夹具,其特征在于:所述粘弹性材料细观尺度下II型断裂试验夹具由三部分组成,分别为:底座(1)、夹具主体和预制裂缝挡片(5),所述底座(1)上表面设有两个凸起的卡榫(2);夹具主体由中心对称的夹具主体A(3)和夹具主体B(4)两部分组成,所述夹具主体A(3)和夹具主体B(4)底部设有卡槽,夹具主体A(3)和夹具主体B(4)通过卡槽卡入底座(1)的卡榫(2)中,夹具主体A(3)和夹具主体B(4)的连接位置围成一块试件浇筑区(6),用来浇筑粘弹性材料试件;预制裂缝挡片(5)由两个相同的挡片组成,所述夹具主体A(3)和夹具主体B(4)上有与预制裂缝挡片(5)同样形状的凹槽,挡片竖直插入凹槽内固定。
2.一种粘弹性材料细观尺度下II型断裂试验夹具的试验方法,其特征在于,包括以下步骤:
第一步,涂刷隔离液:将隔离液均匀涂刷于底座(1)的上表面;
第二步,固定夹具主体:将夹具主体A(3)和夹具主体B(4)底部的卡槽对齐底座(1)上的卡榫(2),固定夹具的水平位置;
第三步,安装预制裂缝挡片:在预制裂缝挡片(5)伸入到试件浇筑区(6)的表面上粘贴特氟龙胶带,将预制裂缝挡片(5)对齐夹具主体A(3)和夹具主体B(4)上的凹槽,竖直插入;
第四步,浇筑试件:加热材料试样,将试样逐渐浇筑于试件浇筑区(6)内;
第五步,刮平与脱模:静置冷却试件,加热刮刀,刮平试件浇筑区(6)凸出的试样,拔出预制裂缝挡片(5),并将夹具主体A(3)和夹具主体B(4)连同中间的材料试件整体平移,推出底座(1)上的卡榫(2);
第六步,SEM-serve设备安装:将夹具主体A(3)和夹具主体B(4)连同中间的粘弹性材料试件,水平放入到SEM-serve设备的楔形夹具中,使楔形夹具夹紧夹具主体A和夹具主体B;
第七步,施加荷载并记录数据:先施加预加荷载,消除试验装置的初始扰动,再施加等应变率荷载,记录张力-位移曲线;
第八步,计算II型断裂强度及断裂能:根据记录的张力-位移曲线,计算试样材料在II型断裂模式下的断裂强度及断裂能。
3.根据权利要求1所述的粘弹性材料细观尺度下II型断裂试验夹具,其特征在于:所述试底座(1)尺寸为长45mm、宽15mm、高5mm,卡榫(2)长2mm、宽2mm、高5mm,材料采用45#钢。
4.根据权利要求1所述的粘弹性材料细观尺度下II型断裂试验夹具,其特征在于:所述试夹具主体A(3)和夹具主体B(4)连接处围出长10mm、宽5mm的粘弹性材料试件浇筑区,组合后夹具主体外边缘尺寸为长45mm、宽15mm、高5mm;夹具主体A(3)和夹具主体B(4)底部均设有一个卡槽,卡槽尺寸与底座上的卡榫相同,夹具主体A(3)和夹具主体B(4)通过卡槽卡入卡榫(2)以固定夹具主体的水平位置;在粘弹性材料试件浇筑区两侧位置,设有安装预设裂缝挡片(5)的凹槽;夹具主体材料采用45#钢,试件浇筑区内壁表面粗糙度为Ra0.2μm。
5.根据权利要求1所述的粘弹性材料细观尺度下II型断裂试验夹具,其特征在于:所述预制裂缝挡片(5)分别位于试件浇筑区的两侧中部,呈Y字型,包含三个分叉,其中最长的分叉厚度为0.1mm,伸入材料试件浇筑区长度为1mm,在材料试样浇筑过程中形成预设裂缝;挡片材料采用45#钢。
6.根据权利要求2所述的粘弹性材料细观尺度下II型断裂试验夹具的试验方法,其特征在于:所述第一步和第二步中,将丙三醇与滑石粉按照质量份数比2.5:1配置成隔离液,沿一个方向将隔离液涂刷到底座上表面,然后将夹具主体A(3)和夹具主体B(4)对齐底座(1)上的卡榫(2)位置,沿竖直方向放置于底座正上方。
7.根据权利要求2所述的粘弹性材料细观尺度下II型断裂试验夹具的试验方法,其特征在于:所述第三步中,采用厚度0.08mm的特氟龙胶带,粘贴于预设裂缝挡片(5)伸入试件浇筑区的分叉表面,然后将预设裂缝挡片(5)竖直地插入到夹具主体A(3)和夹具主体B(4)中的凹槽里,预设裂缝挡片(5)与底座(1)接触。
8.根据权利要求2所述的粘弹性材料细观尺度下II型断裂试验夹具的试验方法,其特征在于:所述第四步和第五步中,将材料试样加热至其粘流温度以上,沿试件浇筑区边缘循环绕圈,逐渐浇筑于试件浇筑区内,最终使试样顶面高出夹具侧面高度大于1mm,保证夹具侧面与试件之间无气泡混入;静置冷却试件至25℃,加热刮刀至200℃,于5秒钟以内快速刮平试件浇筑区凸出的试样,使其与试件夹具侧面顶端平齐,静置3分钟,竖直拔出预制裂缝挡片(5),并将夹具主体A(3)和夹具主体B(4)连同中间的材料试件整体平移,推出底座卡榫。
9.根据权利要求2所述的粘弹性材料细观尺度下II型断裂试验夹具的试验方法,其特征在于:所述第七步中,施加0.1mm/min的拉伸位移荷载20s,卸除荷载20s,再施加1mm/min的等应变率荷载,记录张力-位移曲线。
10.根据权利要求2所述的粘弹性材料细观尺度下II型断裂试验夹具的试验方法,其特征在于:所述第八步中,根据试件边长L、试件厚度D,预制裂缝长度l、张力峰值Tc及破坏时的位移δf,试样材料在纯II型断裂模式下的断裂强度σc及断裂能Gf分别计算如式[1]、式[2]:
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