CN109781518B - 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 (4)
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；所述夹具主体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；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（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；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；
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；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；
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；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
及破坏时的位移
，试样材料在纯II型断裂模式下的断裂强度
及断裂能
分别计算如式[1]、式[2]：
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。
2.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。
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。
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。
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