CN112924254B - 透明材料自然裂纹制备及尖端位置确定方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透明材料自然裂纹制备及尖端位置确定方法和系统，属于材料力学性能测试领域。本发明首先将需所测透明材料制备成按规定要求的长方形试样，在长方形试样的任意一长边中点制作一V型切口，将上述处理好的透明材料试样与负载贴片紧固粘贴或压贴成为一体，对试样及负载贴片进行加载，采用光弹仪及光学放大镜观察V型切口处真实裂纹形成、裂纹尖端扩展方向及位置并记录。本发明能够通过简单的样品加工及加载与观测装置设计，即可在透明试样上获得一条真实裂纹，并精确测量裂纹的长度。通过该发明制备的试样，可为预裂纹梁法提供更加精确地测量到透明材料断裂韧性的试样。

Description

透明材料自然裂纹制备及尖端位置确定方法和系统

技术领域

本发明涉及材料力学性能测试领域，特别是指一种透明材料自然裂纹制备及尖端位置确定方法和系统。

背景技术

透明材料(如玻璃、有机玻璃、树脂等)具有高强度、高硬度、耐腐蚀、透明等优点，已经在电子、机械、航空、航天等领域具有广泛的应用。部分透明材料是一种典型的脆性材料，具有裂纹易形成和扩展快等特点，因此，测量透明材料的断裂韧性是反映玻璃脆性，评价其阻裂能力的一项重要力学性能指标，对指导透明材料的工程设计及应用具有重要参考价值。

目前测量透明材料断裂韧性的方法主要有以下几种：

1、压痕法测量断裂韧性，其方法是在透明材料表面采用维氏硬度计进行压痕试验，获得压痕裂纹，根据裂纹的扩展长度计算压痕断裂韧性。

该种方法计算断裂韧性是基于经验公式，致使针对不同材料，其测试结果相差较大，难以准确得到材料断裂韧性。

2、预裂纹梁法测量玻璃材料断裂韧性，该方法是本领域公认的测试含真实裂纹材料断裂韧性值的最为准确的方法，该方法是在材料制成的标准梁弯曲试样的一侧预先制备出一条真实裂纹，再进行加载试验，根据计算公式获得断裂韧性。

因测试时，对真实裂纹要求较高，且真实裂纹的长度对计算结果影响很大，目前确定真实裂纹的长度主要采用肉眼或放大镜确定其裂纹尖端，根据裂纹尖端得到裂纹长度。但因裂纹尖端附近裂纹尺寸往往非常微小，目前方法难以精确确定材料裂纹尖端真实位置，致使难以获得准确的裂纹长度，从而导致断裂韧性测量存在很大误差。另外，如玻璃材料为典型的脆性材料，目前采用简单的装置引发裂纹扩展，存在裂纹扩展速度快，难以获得满足要求的真实裂纹，从而导致断裂韧性试验样品难以制备。

3、切口梁法测量材料断裂韧性，即在试样的一边进行切口后直接进行断裂韧性试验。

因切口尖端受到钝化，不是真实的裂纹尖端，致使测试结果与真实值存在较大的误差。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种透明材料自然裂纹制备及尖端位置确定方法和系统，本发明为透明材料预制真实裂纹并精确确定真实裂纹尖端位置，从而为实现精确测量透明材料的断裂韧性提供测试样品及参数。

本发明提供技术方案如下：

一种透明材料自然裂纹制备及尖端位置确定方法，所述方法包括：

S1：将待测透明材料制备成按规定要求的长方体试样，在所述长方体试样的任一长边上制作一穿透长方体试样厚度方向的V型切口，并在所述长方体试样的长和宽所在的一个表面上的V型切口附近粘贴精确刻度尺；

S2：在所述长方体试样的长和宽所在的一个或两个表面上设置透明的负载贴片，所述负载贴片与所述长方体试样固定成为一体，得到一体试样，所述负载贴片的断裂韧性高于所述待测透明材料的断裂韧性；

S3：将所述一体试样置于四点弯曲夹具上，其中，具备V型切口所在的长边位于两个下支撑辊上方，另一个长边位于两个上压辊下方，两个下支撑辊和两个上压辊均分别位于V型切口的两侧；

S4：将光弹仪的起偏片和检偏片分别放置在一体试样的两侧，在起偏片的外侧设置面光源，在检偏片的外侧设置图像采集设备；

S5：采用力学试验机对四点弯曲夹具进行加载，在V型切口部位应力不断增大至长方体试样开裂，引发自然裂纹；

S6：通过图像采集设备跟踪采集裂纹图像，并在裂纹图像上确定应力集中光斑，所述应力集中光斑的交汇处即为自然裂纹尖端位置，对照所述精确刻度尺得到自然裂纹长度。

进一步的，所述负载贴片的宽度与所述长方体试样的宽度相同，所述负载贴片的厚度大于所述长方体试样的厚度；

所述负载贴片的长度大于或等于所述长方体试样的长度，所述长方体试样的长和宽所在的一个或两个表面上涂有透明胶，所述负载贴片通过透明胶与所述长方体试样紧固粘贴成为一体；

或者，所述负载贴片的长度大于所述长方体试样的长度，两个负载贴片位于长方体试样的长和宽所在的两个表面上，两个负载贴片的长度方向的两端通过固定结构向内施加压力。

进一步的，所述图像采集设备包括光学放大镜和与所述光学放大镜连接的电脑。

进一步的，所述V型切口通过机械切割或激光切割制得，所述V型切口的深度和长度范围均为1-2mm，所述长方体试样的长边经过磨砂处理，所述精确刻度尺的精度不小于0.1mm。

进一步的，两个下支撑辊的跨距至少为两个上压辊跨距的两倍。

一种透明材料自然裂纹制备及尖端位置确定系统，包括长方体试样、负载贴片、四点弯曲夹具、力学试验机和光弹仪，其中：

所述长方体试样由待测透明材料制备成，所述长方体试样的任一长边上开设有一穿透长方体试样厚度方向的V型切口，所述长方体试样的长和宽所在的一个表面上在V型切口附近粘贴有精确刻度尺；

所述负载贴片为透明材质，所述负载贴片设置在长方体试样的长和宽所在的一个或两个表面上，所述负载贴片与所述长方体试样固定成为一体，得到一体试样，所述负载贴片的断裂韧性高于所述待测透明材料的断裂韧性；

所述一体试样位于四点弯曲夹具上，所述四点弯曲夹具位于力学试验机上；其中，具备V型切口所在的长边位于四点弯曲夹具的两个下支撑辊上方，另一个长边位于四点弯曲夹具的两个上压辊下方，两个下支撑辊和两个上压辊均分别位于V型切口的两侧；

光弹仪的起偏片和检偏片分别放置在一体试样的两侧，所述起偏片的外侧设置有面光源，所述检偏片的外侧设置有图像采集设备。

进一步的，所述负载贴片的宽度与所述长方体试样的宽度相同，所述负载贴片的厚度大于所述长方体试样的厚度；

所述负载贴片的长度大于或等于所述长方体试样的长度，所述长方体试样的长和宽所在的一个或两个表面上涂有透明胶，所述负载贴片通过透明胶与所述长方体试样紧固粘贴成为一体；

或者，所述负载贴片的长度大于所述长方体试样的长度，两个负载贴片位于长方体试样的长和宽所在的两个表面上，两个负载贴片的长度方向的两端通过固定结构向内施加压力。

进一步的，所述图像采集设备包括光学放大镜和与所述光学放大镜连接的电脑。

进一步的，所述V型切口通过机械切割或激光切割制得，所述V型切口的深度和长度范围均为1-2mm，所述长方体试样的长边经过磨砂处理，所述精确刻度尺的精度不小于0.1mm。

进一步的，两个下支撑辊的跨距至少为两个上压辊跨距的两倍。

本发明具有以下有益效果：

本发明首先将需所测透明材料制备成按规定要求的长方形试样，在长方形试样的任意一长边中点制作一V型切口，将上述处理好的透明材料试样与负载贴片紧固粘贴或压贴成为一体，对试样及负载贴片进行加载，采用光弹仪及光学放大镜观察V型切口处真实裂纹形成、裂纹尖端扩展方向及位置并记录。本发明能够通过简单的样品加工及加载与观测装置设计，即可在透明试样上获得一条真实裂纹，并精确测量裂纹的长度。通过该发明制备的试样，可为预裂纹梁法提供更加精确地测量到透明材料断裂韧性的试样。

附图说明

图1为本发明中长方体试样的示意图；

图2-4为不同实施方式的一体试样的示意图；

图5为本发明的透明材料自然裂纹制备及尖端位置确定系统的示意图；

图6为裂纹和应力集中光斑的示意图；

图7为裂纹和应力集中光斑的照片示例。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

实施例1：

本发明实施例提供一种透明材料自然裂纹制备及尖端位置确定方法，如图1-7所示，该方法包括：

S1：将待测透明材料制备成按规定要求的长方体试样1，在长方体试样1的任一长边上制作一穿透长方体试样厚度方向的V型切口2，如图1所示。并在长方体试样1的长和宽所在的一个表面上的V型切口2附近粘贴精确刻度尺3，如图2-5所示。

在其中一个实例中，待测透明材料为透明玻璃，长方体试样宽厚比应满足单边预裂纹法测量断裂韧性要求，示例性的，长宽厚尺寸为120mm×4mm×3mm，在玻璃试样一长边上切割一V型缺口，V型切口的深度和长度范围均为1-2mm，示例性的，V型切口的深度和长度均为0.1mm，其中，V型缺口优选在长边的中点处，也可以在长边的中心附近，只要不过分靠近长边的两端即可。

长方体试样和V型缺口通过切割制得，切割的方式可以为机械切割或激光切割，切割的V型缺口要求穿透整个长方体试样的厚度，长方体试样的长边可以进行磨边处理，消除切割引发的缺陷。

在裂纹观察方向的长方体试样外表面粘贴有一精确刻度尺，精确刻度尺的读数至少精确至0.1mm，精确刻度尺要靠近但不能挡住试样的V型切口。精确刻度尺可以作为参照物，方便裂纹扩展时记录其尖端位置。

S2：在长方体试样1的长和宽所在的一个或两个表面上设置透明的负载贴片4，负载贴片4与长方体试样1固定成为一体，得到一体试样，负载贴片4的断裂韧性高于待测透明材料的断裂韧性。

因试验时，要求负载贴片与长方体试样之间不应产生相对滑动且接触面间能传递剪力作用，因此，长方体试样与负载贴片的接触面应固定成一体结构，可以采用压贴或粘结的形式固定。

本发明中，负载贴片的宽度与长方体试样的宽度相同，负载贴片的厚度大于长方体试样的厚度。在其中一个示例中，负载贴片的宽度和厚度尺寸分别为4mm、3mm。

要求负载贴片的断裂韧性高于待测透明材料的断裂韧性，当待测透明材料为玻璃时，负载贴片的材质可以为有机玻璃或透明树脂。

负载贴片与长方体试样采用粘结的形式固定时，要求负载贴片的长度大于或等于长方体试样的长度。在长方体试样的长和宽所在的一个或两个表面上涂有透明胶，负载贴片贴在长方体试样上，且保证两者长边对齐，通过透明胶与长方体试样紧固粘贴成为一体，保证在加载过程中试样与负载贴片不会产生相对滑动。负载贴片可以有两个，也可以有一个，贴在长方体试样的两侧或一侧，如图2、3所示。

透明胶选用能够通过非外力形式脱粘或去除的透明胶体，方便试验结束后后续操作。

负载贴片与长方体试样采用压贴形式固定时，使用两片负载贴片，要求负载贴片的长度大于长方体试样的长度，例如长度可以为160mm。两个负载贴片位于长方体试样的长和宽所在的两个表面上，两个负载贴片的长度方向的两端伸出长方体试样，两个负载贴片的长度方向的两端通过固定结构(例如夹子等)向内施加压力P，使两负载贴片压紧中间的长方体试样，如图4所示。施加的压力大小应保证自然裂纹引发加载时长方体试样与负载贴片不产生相对滑动。

S3：将一体试样置于四点弯曲夹具上，其中，具备V型切口2所在的长边位于两个下支撑辊6上方，另一个长边位于两个上压辊5下方，两个下支撑辊6和两个上压辊5均分别位于V型切口2的两侧，如图4所示。

本发明采用四点弯曲法对一体试样进行加载，四点弯曲夹具应满足《精细陶瓷弯曲强度试验方法》(GBT6569-2006)中的规定，加载设备可以选择常规力学试验机。

将一体试样具有V型切口的一边朝下放置，具备V型切口的一边放置在四点弯曲夹具的两个下支撑辊上方，另一个长边位于两个上压辊下方，并保证两个下支撑辊和两个上压辊均分别位于V型切口的两侧，使得加载时V型切口处受到向长边两端的应力。

在其中一个示例中，两个下支撑辊的跨距至少为两个上压辊跨距的两倍。

S4：将光弹仪的起偏片7和检偏片8分别放置在一体试样的两侧，在起偏片7的外侧设置面光源9，在检偏片8的外侧设置图像采集设备，如图5所示。

光弹仪采用透射式，起偏片和检偏片分别放置在一体试样的两侧。透射式光弹仪为现有的设备，其成像原理、具体结构和使用方法均可以参见中国专利文献CN101672803A，一种检测钢化玻璃幕墙杂质和缺陷的方法与装置，本专利不再赘述。面光源可以是人造光源，也可以是自然光，本发明对此不作限定。

在其中一个示例中，图像采集设备可以为光学放大镜10，光学放大镜10连接有电脑11，光学放大镜的倍数可以选用50倍。光学放大镜应对准长方体试样的切口部位，随时观测切口部位的裂纹扩展动态，光学放大镜采集图像后可由电脑软件处理并存储。

S5：采用力学试验机对四点弯曲夹具进行加载，在V型切口2部位应力不断增大至长方体试样开裂，引发自然裂纹12。

在加载过程中，随着载荷的增大，会在试样V型切口处形成应力集中并引发自然裂纹扩展，该裂纹为真实裂纹。如试验机继续增大压力，裂纹将继续向上扩展，扩展到需要的长度后，在试样V型切口处一条真实裂纹就制备完成了。

负载贴片是用于控制长方体试样真实裂纹扩展速度及预防裂纹失稳扩展的。加载过程中，负载贴片承担了较大部分弯曲载荷，且因其断裂韧性较所待测测试样大，因此有利于约束试样真实裂纹快速扩展失稳，通过控制加载速度，可以控制真实裂纹扩展速度，真实裂纹长度达到试验要求后即可停止加载。

S6：通过图像采集设备跟踪采集裂纹图像，并在裂纹图像上确定应力集中光斑13，应力集中光斑13的交汇处即为自然裂纹尖端位置14，对照精确刻度尺得到自然裂纹长度。

因裂纹尖端有很大的应力集中，裂纹尖端应力集中光斑具有放大效应，这种应力集中在光弹仪上观察，可见明显的应力集中光弹斑13，应力集中光弹斑13交汇位置14即为裂纹尖端位置，见图6所示。通过光学放大镜可以很方便追踪这个集中应力光斑交汇点(裂纹尖端点)处走向，可精确确定裂纹尖端位置，并对照附近的刻度尺，从而确定裂纹尖端的位置，达到精确测量裂纹的长度(从裂纹尖端位置至试样下边的距离)。裂纹扩展时获得的裂纹尖端应力集中光斑照片见图7，可见明显的亮斑，试验证明了该方法的可靠性和有效性。

通过以上操作步骤后，加载完成后，即制备出一条符合要求的真实裂纹，然后取下一体试样并清洁表面，并按预裂纹梁法测量断裂韧性试验方法，进行断裂韧性试验即可。

本发明首先将需所测透明材料制备成按规定要求的长方形试样，在长方形试样的任意一长边中点制作一V型切口，将上述处理好的透明材料试样与负载贴片紧固粘贴或压贴成为一体，对试样及负载贴片进行加载，采用光弹仪及光学放大镜观察V型切口处真实裂纹形成、裂纹尖端扩展方向及位置并记录。本发明能够通过简单的样品加工及加载与观测装置设计，即可在透明试样上获得一条真实裂纹，并精确测量裂纹的长度。通过该发明制备的试样，可为预裂纹梁法提供更加精确地测量到透明材料断裂韧性的试样。

实施例2：

本发明实施例提供一种透明材料自然裂纹制备及尖端位置确定系统，该系统用于实施例1所述的透明材料自然裂纹制备及尖端位置确定方法。如图1-7所示，该系统包括长方体试样1、负载贴片4、四点弯曲夹具、力学试验机和光弹仪，其中：

长方体试样1由待测透明材料制备成，长方体试样1的任一长边上开设有一穿透长方体试样厚度方向的V型切口2，长方体试样1的长和宽所在的一个表面上在V型切口2附近粘贴有精确刻度尺3。

负载贴片4为透明材质，负载贴片4设置在长方体试样1的长和宽所在的一个或两个表面上，负载贴片4与长方体试样1固定成为一体，得到一体试样，负载贴片4的断裂韧性高于待测透明材料的断裂韧性。

一体试样位于四点弯曲夹具上，四点弯曲夹具位于力学试验机上；其中，具备V型切口2所在的长边位于四点弯曲夹具的两个下支撑辊6上方，另一个长边位于四点弯曲夹具的两个上压辊5下方，两个下支撑辊6和两个上压辊5均分别位于V型切口2的两侧。

光弹仪的起偏片7和检偏片8分别放置在一体试样的两侧，起偏片7的外侧设置有面光源9，检偏片8的外侧设置有图像采集设备。

前述的负载贴片的宽度与长方体试样的宽度相同，负载贴片的厚度大于长方体试样的厚度。

在其中一个示例中，负载贴片的长度大于或等于长方体试样的长度，长方体试样的长和宽所在的一个或两个表面上涂有透明胶，负载贴片通过透明胶与长方体试样紧固粘贴成为一体。

或者，在其中另一个示例中，负载贴片的长度大于长方体试样的长度，两个负载贴片位于长方体试样的长和宽所在的两个表面上，两个负载贴片的长度方向的两端通过固定结构向内施加压力。

图像采集设备可以采用光学放大镜10，光学放大镜连接有电脑11。

V型切口通过机械切割或激光切割制得，V型切口的深度和长度范围均为1-2mm，长方体试样的长边经过磨砂处理，精确刻度尺的精度不小于0.1mm。

加载时，两个下支撑辊的跨距至少为两个上压辊跨距的两倍。

本发明实施例的系统与实施例1所述的方法相对应，其即具备实施例1所述的有益效果，在此不再赘述。本实施例其他未提及之处，可参考前述实施例1中的相应内容。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种透明材料自然裂纹制备及尖端位置确定方法，其特征在于，所述方法包括：

S1：将待测透明材料制备成按规定要求的长方体试样，在所述长方体试样的任一长边上制作一穿透长方体试样厚度方向的V型切口，并在所述长方体试样的长和宽所在的一个表面上的V型切口附近粘贴精确刻度尺；

S2：在所述长方体试样的长和宽所在的一个或两个表面上设置透明的负载贴片，所述负载贴片与所述长方体试样固定成为一体，得到一体试样，所述负载贴片的断裂韧性高于所述待测透明材料的断裂韧性；

S3：将所述一体试样置于四点弯曲夹具上，其中，具备V型切口所在的长边位于两个下支撑辊上方，另一个长边位于两个上压辊下方，两个下支撑辊和两个上压辊均分别位于V型切口的两侧；

S4：将光弹仪的起偏片和检偏片分别放置在一体试样的两侧，在起偏片的外侧设置面光源，在检偏片的外侧设置图像采集设备；

S5：采用力学试验机对四点弯曲夹具进行加载，在V型切口部位应力不断增大至长方体试样开裂，引发自然裂纹；

S6：通过图像采集设备跟踪采集裂纹图像，并在裂纹图像上确定应力集中光斑，所述应力集中光斑的交汇处即为自然裂纹尖端位置，对照所述精确刻度尺得到自然裂纹长度；

所述负载贴片的宽度与所述长方体试样的宽度相同，所述负载贴片的厚度大于所述长方体试样的厚度；

所述负载贴片的长度大于或等于所述长方体试样的长度，所述长方体试样的长和宽所在的一个或两个表面上涂有透明胶，所述负载贴片通过透明胶与所述长方体试样紧固粘贴成为一体；

或者，所述负载贴片的长度大于所述长方体试样的长度，两个负载贴片位于长方体试样的长和宽所在的两个表面上，两个负载贴片的长度方向的两端通过固定结构向内施加压力。

2.根据权利要求1所述的透明材料自然裂纹制备及尖端位置确定方法，其特征在于，所述图像采集设备包括光学放大镜和与所述光学放大镜连接的电脑。

3.根据权利要求2所述的透明材料自然裂纹制备及尖端位置确定方法，其特征在于，所述V型切口通过机械切割或激光切割制得，所述V型切口的深度和长度范围均为1-2mm，所述长方体试样的长边经过磨砂处理，所述精确刻度尺的精度不小于0.1mm。

4.根据权利要求3所述的透明材料自然裂纹制备及尖端位置确定方法，其特征在于，两个下支撑辊的跨距至少为两个上压辊跨距的两倍。

5.一种透明材料自然裂纹制备及尖端位置确定系统，其特征在于，包括长方体试样、负载贴片、四点弯曲夹具、力学试验机和光弹仪，其中：

所述长方体试样由待测透明材料制备成，所述长方体试样的任一长边上开设有一穿透长方体试样厚度方向的V型切口，所述长方体试样的长和宽所在的一个表面上在V型切口附近粘贴有精确刻度尺；

所述负载贴片为透明材质，所述负载贴片设置在长方体试样的长和宽所在的一个或两个表面上，所述负载贴片与所述长方体试样固定成为一体，得到一体试样，所述负载贴片的断裂韧性高于所述待测透明材料的断裂韧性；

所述一体试样位于四点弯曲夹具上，所述四点弯曲夹具位于力学试验机上；其中，具备V型切口所在的长边位于四点弯曲夹具的两个下支撑辊上方，另一个长边位于四点弯曲夹具的两个上压辊下方，两个下支撑辊和两个上压辊均分别位于V型切口的两侧；

光弹仪的起偏片和检偏片分别放置在一体试样的两侧，所述起偏片的外侧设置有面光源，所述检偏片的外侧设置有图像采集设备；

所述负载贴片的宽度与所述长方体试样的宽度相同，所述负载贴片的厚度大于所述长方体试样的厚度；

所述负载贴片的长度大于或等于所述长方体试样的长度，所述长方体试样的长和宽所在的一个或两个表面上涂有透明胶，所述负载贴片通过透明胶与所述长方体试样紧固粘贴成为一体；

或者，所述负载贴片的长度大于所述长方体试样的长度，两个负载贴片位于长方体试样的长和宽所在的两个表面上，两个负载贴片的长度方向的两端通过固定结构向内施加压力。

6.根据权利要求5所述的透明材料自然裂纹制备及尖端位置确定系统，其特征在于，所述图像采集设备包括光学放大镜和与所述光学放大镜连接的电脑。

7.根据权利要求6所述的透明材料自然裂纹制备及尖端位置确定系统，其特征在于，所述V型切口通过机械切割或激光切割制得，所述V型切口的深度和长度范围均为1-2mm，所述长方体试样的长边经过磨砂处理，所述精确刻度尺的精度不小于0.1mm。

8.根据权利要求7所述的透明材料自然裂纹制备及尖端位置确定系统，其特征在于，两个下支撑辊的跨距至少为两个上压辊跨距的两倍。

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