CN112161879A - 温压环境下静态半圆盘三点弯曲断裂韧性测量装置及方法 - Google Patents

温压环境下静态半圆盘三点弯曲断裂韧性测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

温压环境下静态半圆盘三点弯曲断裂韧性测量装置及方法,属于机械、工程地质、土木工程等工程技术领域,它包括温压控制装置、半圆盘三点弯曲加载装置和试样夹持装置；所述半圆盘三点弯曲加载装置位于温压控制装置内部，所述试样夹持装置位于半圆盘三点弯曲加载装置的活动底板上。测量方法包括加工含预制裂纹的半圆盘试样；检查温压控制装置，测量加载部分的阻力；测量半圆盘断裂韧性。本发明在在测试中通过可视窗实时观察裂纹起裂和扩展过程，及时排除无效实验数据；加载部分和试样取装部分相互独立，防止多次使用时因为加载部分定位不准引起的密封性降低和测试误差增加，节约流体用量和增压所需功耗。

Description

温压环境下静态半圆盘三点弯曲断裂韧性测量装置及方法
技术领域
本发明属于工程力学中岩石、混凝土等弹脆性材料的实验设备技术领域，涉及一种静态半圆盘三点弯曲断裂韧性测量装置，尤其是能测量可控温度和压强的气体或液体环境下材料的断裂韧性。
背景技术
材料断裂韧性的测试用于构建断裂力学的裂纹扩展准则。通过裂纹扩展准则结合实际问题的几何结构可以进一步确定其破坏的临界载荷；对于复杂问题，也可以用于数值计算中建立裂纹扩展模型，得到结构的破坏形式，从而用于优化结构设计、评估已有结构的承载能力等领域。
目前静态半圆盘三点弯曲实验主要用于测量岩石、混凝土等弹脆性材料的断裂韧性。对于这些弹脆性材料，现有测量断裂韧性的方法包括：半圆盘三点弯曲、巴西圆盘劈裂、梁的三点弯曲、紧凑拉伸等，半圆盘三点弯曲实验由于其实施简单、试样用料节约而广泛应用。当前对材料的三点弯曲实验多在常温常压下进行，实验中，半圆盘沿对称轴有预制裂纹，当圆盘的顶部和两角点受力达到某临界值时，裂纹扩展导致半圆盘破坏，通过该临界值推导出材料的断裂韧性。
然而诸多材料长期处于非常温常压的流体环境中，例如：地下千米以深的天然油气储层、核设施中的混凝土等，这些材料的断裂韧性测试需要模拟其所处的真实环境。随着温度升高，材料表现出刚度降低、塑性升高、强度减弱、蠕变增强等现象；随着压强升高，岩石、混凝土等材料的内部孔隙被压缩，其力学性质将进一步发生变化。如果继续在常温、常压下进行测量，材料的断裂韧性与真实环境中的数值不再相等。
发明内容
为了克服现有的半圆盘三点弯曲设备不能测量温压环境下材料的断裂韧性的不足，本发明提供一种测试装置，该装置可以调节试样所处液体或气体环境的温度和压强，模拟材料所处的真实环境。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：将用于三点弯曲的压头和支座置于压力釜中，压力釜内壁面覆盖绝缘材料和电热丝以提高温度，使用伺服泵泵入气体或者液体以增加压强，通过温度和压强传感器实时控制釜内温度和压强。整个装置为上下结构，其中压头在上、支座在下，压头和支座均为半圆柱体，轴线相互平行。压力釜内定向放置活动底板，用于三点弯曲的支座、试样夹持装置固定在底板上，可以通过活动底板更换试样。用于三点弯曲的半圆柱形压头固定在圆柱体压柱底部，通过压柱另一端施加作用力，并且使用圆形密封导向圈辅助压柱的移动，压柱行程为15mm。压力釜顶底盖由螺纹连接，方便试样的装取。压力釜侧面面向试样安装可视窗，用于检查试样加载前是否处于正确位置，以及加载过程中试样是否产生非正常滑动。
本发明的有益效果是：可以在可控温度和压强环境下，测量材料的断裂韧性，模拟材料所处的真实环境；可以在测试中实时观察裂纹起裂和扩展过程，及时排除无效实验数据；加载部分和试样取装部分相互独立，防止多次使用时因为加载部分定位不准引起的密封性降低和测试误差增加，节约流体用量和增压所需功耗。
附图说明
图1是本发明装置的外形图。
图 2本发明装置的结构图。
图 3是活动底板上试样夹持装置的结构图。
图4是试样形状图。
图中，1.圆柱体压柱，2.压力釜顶盖，3.压强计，4.压强控制伺服泵，5.压力釜底盖，6.可视窗，7.电热丝供电箱，8.定位键，9. 导向槽，10. 密封环，11. 圆形密封导向圈，12. 密封环，13. 绝缘层和电热丝，14. 流体管道，15. 密封环，16. 定位槽，17. 半圆柱体压头，18. 试样，19. 电阻丝供电通道，20. 半圆柱形支座，21. 活动底板，22.后侧定位柱，23. 滑动软杆，24. 定位螺栓，25. 前侧定位柱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
在图1中，压力釜顶盖和底盖 (2)(5)与釜体使用螺纹连接，侧面开有螺纹孔，用于拆卸装置；伺服泵 (4) 的管道和电热丝供电箱 (7)的供电线与釜体使用螺纹连接；可视窗(6)与釜体固结，并保证密封。在图 2中，定位键 (8)与圆柱体压柱连接；导向槽 (9)在压力釜顶盖上对称分布，与定位键配套使用；密封环(10)(12)(15)用于压力釜内流体的密封，使用一组多道环提高密封性；圆形密封导向圈 (12)置于压力釜顶端，上端和顶盖接触，下端和压力釜内壁面的凸起接触；绝缘层和电热丝 (13)分别在外侧和内侧形成管型结构，粘贴在压力釜内壁面；定位槽 (16)对称分布在压力釜体底部，用于底板的定位；半圆柱体压头(17)固定在圆柱体压柱底端；半圆柱体支座 (20)固定在底板。在图 3 中，定位柱 (22)(25) 焊接在活动底板上，滑动软杆(23) 用于可以在后侧定位柱 (22) 上下滑动，用于约束试样在上下左右两个方向的移动，定位螺栓 (23) 用于约束试样在前后方向的移动。
本发明的使用步骤是：
(1) 按照图 4试样直径D=76 mm、厚度B≥ 0.4D或30 mm、裂纹长度a：0.2≤a/D≤ 0.3、支撑点间距l：0.5 ≤l/D≤ 0.8的参数加工半球形试样；的几何参数取值建议加工待测试样。
(2)将装置连接完整，向釜内加温加压并保持 5–10分钟 (大约为实验时间)，检查密封性、温度和压强是否恒定。
(3)将装置于压缩试验机上，以恒定速度控制压柱移动接近一个行程，记录过程中试验机所受的阻力F 0。
(4)关闭电热丝开关，逐步减小釜体内压力，将压柱回位。
(5)从底部打开压力釜，放入试样并使用定位螺栓固定，置于压缩试验机上。注意底板的定位，使试样半圆面朝向可视窗一侧。
(6)增加压强至测量点一半，打开电热丝开关增加温度，继续缓慢增压增温至测量点。
(7)以恒定速度控制压柱移动直至试验机的力-位移曲线出现突降，记录试验机所受的最大力F。注意试验机位移不能超过压柱行程。
(8)重复 (3)-(6)完成分组重复实验。
(9)实验结束后安放实验装置，整理结果。
根据国际岩石力学学会推荐的方法，每次实验通过试验机所受的最大力F和F 0推导出材料的断裂韧性为
Figure 282101DEST_PATH_IMAGE001
D为试样直径，B为试样厚度B≥ 0.4D，a为裂纹长度，0.2≤a/D≤ 0.3，l为支撑点间距，0.5 ≤l/D≤ 0.8，F 0是步骤(3)中试验机测量的阻力，包括机械摩擦和流体压力。

Claims (5)

1.一种温压环境下静态半圆盘三点弯曲断裂韧性测量装置，其特征在于：包括温压控制装置、半圆盘三点弯曲加载装置和试样夹持装置；所述半圆盘三点弯曲加载装置位于温压控制装置内部，所述试样夹持装置位于半圆盘三点弯曲加载装置的活动底板 (21) 上；所述温压控制装置包括电热丝供电箱 (7)、压强计 (3)、压强控制伺服泵(4)、圆柱釜体、压力釜顶盖(2)、压力釜底盖(5)，圆柱釜体的下部设置压力釜底盖(5)，圆柱釜体的顶部设置压力釜顶盖(2)，圆柱釜体中部设有可视窗 (6)，可视窗 (6) 与釜体固结，压强控制伺服泵(4) 通过管道与釜体连接，电热丝供电箱 (7) 通过供电线与釜体连接；所述半圆盘三点弯曲加载装置包括圆柱体压柱(1)、半圆柱体压头 (17)、半圆柱形支座 (20) 和活动底板(21)，半圆柱体压头 (17) 固定在圆柱体压柱(1)底端，半圆柱体支座 (20)与活动底板(21)固定并位于活动底板(21)上面，试样放置在半圆柱体支座 (20)上面且位于半圆柱体压头(17)正下方；所述试样夹持装置包括前侧定位柱 (22)、后侧定位柱(25)、滑动软杆(23) 和定位螺栓 (24)；滑动软杆(23)的滑套套在前侧定位柱 (22)上，半圆柱形支座(20)设置在前侧定位柱 (22)与后侧定位柱(25)之间，定位螺栓 (24)设置在前侧定位柱(22)上并位于滑动软杆(23)与半圆柱形支座 (20)之间。
2.根据权利要求1所述的一种温压环境下静态半圆盘三点弯曲断裂韧性测量装置，其特征是：为保证密封性，压柱密封环 (10)和活动底板密封环 (15) 用于压力釜内流体的密封，圆形密封导向圈 (12) 置于压力釜顶端，上端和顶盖接触，下端和压力釜内壁面的凸起接触。
3.根据权利要求1所述的一种温压环境下静态半圆盘三点弯曲断裂韧性测量装置，其特征是：为保证定位，圆柱体压柱(1)连接有定位键 (8)，在压力釜顶盖上轴对称分布有导向槽 (9)，导向槽 (9)与定位键配套使用，定位槽 (16) 对称分布在活动底板(21)上，用于底板的定位。
4.根据权利要求1所述的一种温压环境下静态半圆盘三点弯曲断裂韧性测量装置，其特征是：为保证温度和压强可控，绝缘层和电热丝 (13) 分别在外侧和内侧形成管型结构，粘贴在压力釜内壁面，压强计 (3) 和伺服泵 (4) 共同保证釜内压强维持在特定值。
5.一种温压环境下静态半圆盘三点弯曲断裂韧性测量方法，包括以下步骤：
(1) 按照直径D=76 mm、厚度B≥ 0.4D或30 mm、裂纹长度a：0.2≤a/D≤ 0.3、支撑点间距l：0.5 ≤l/D≤ 0.8的参数加工半球形试样；
(2)将权利要求1所述的装置连接完整，向釜内加温加压并保持 5–10分钟，检查密封性、温度和压强是否恒定；
(3)将装置于压缩试验机上，以恒定速度控制压柱移动接近一个行程，记录过程中试验机所受的阻力F 0；
(4)关闭电热丝开关，逐步减小釜体内压力，将压柱回位；
(5)从底部打开压力釜，放入试样并使用定位螺栓固定，置于压缩试验机上；试样半圆面朝向可视窗一侧；
(6)增加压强至测量点一半，打开电热丝开关增加温度，继续缓慢增压增温至测量点；
(7)以恒定速度控制压柱移动直至试验机的力-位移曲线出现突降，记录试验机所受的最大力F；试验机位移不得超过压柱行程；
(8)重复 (3)-(6)步骤完成分组重复实验；
(9)实验结束后安放实验装置，整理结果。
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