CN113252448A - 一种新型异质层状梯度复合材料的界面剪切强度测试装置及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种新型异质层状梯度复合材料的界面剪切强度测试装置及其测试方法。本发明所述新型测试装置包括测试装置A和装置B；所述测试装置A包括尺寸、形状完全一样的上、下剪切部件，也称剪刀，主要用于与万能材料试验机连接；所述测试装置B包括尺寸、形状完全一样的上、下挂件，主要用于与万能材料试验机连接。本发明所述测试方法，包括将待测试样与拉伸模具装夹至对应测试装置上，启动试验机，进行拉伸试验；最后计算得出界面结合强度。本发明所述测试方法方便快捷，避免装样过程损坏试样，显著提升了测试过程的可靠性和便利性，弥补了现有测试方法的不足，可以更方便快捷、安全准确的测量出层状梯度复合材料的界面剪切强度。
Description
技术领域
本发明主要涉及复合材料界面剪切强度的测试评价领域，尤其涉及异种材料焊接接头和层状复合材料界面剪切强度的拉伸装置及测试方法。
背景技术
对于金属层状复合材料而言，衡量其界面结合性能优劣的指标很多，常见的有界面拉伸强度、界面剪切强度、界面剥离强度和界面弯曲强度等等，都可以从不同方面反映层状复合材料的界面结合性能。其中界面拉伸强度和剪切强度可从垂直于界面和平行于界面两个角度定量的评价界面结合性能的高低，并且容易测量。
对于拉伸强度，在专利“一种超薄层状金属复合材料结合强度的测试装置及其评价方法”给出了一种较好的定量测试方法。而对于剪切强度，在标准GB/T 6396—2008《复合钢板力学及工艺性能试验方法》中规定了层状复合钢板剪切强度的测试方法和测试装置，对厚度大于10mm的层状复合板可以采用压剪的方式进行测试，对小于等于10mm的层状复合板可以采用拉剪的方式进行测试。同样，ASTM 264《Standard Specification forStainless Chromium-Nickel Steel-Clad Plate》以及YS/T485—2005《烧结双金属材料剪切强度的测试方法》中规定的抗剪强度测试方法和测试装置，与GB/T6396—2008的测试方法类似。然而，这两种抗剪强度测试方法和测试装置都存在一定的局限性，压剪的测试方式一般只适合基材相对比较厚的情况，如果基材比较薄时，在压力作用下，基材就会发生弯曲变形，影响测试精度，甚至完全不能测出剪切强度，而且测试试样的制备较为麻烦。文献“复合轧制工艺对复合板冶金结合层成分、组织和性能的影响”中采用粘结法测定其剪切强度，然而其制样方式较为复杂，并且测试误差较大，无法准确反映层状复合材料的界面结合性能。
层状复合材料的制备研究和表征评价越来越受到科研工作者的广泛的关注，他们所具有的组织结构异质特性和性能异质特性使得其具有更广泛的应用前景，在制备研究的过程中，其异质界面结合性能的表征评价显得尤为重要，然而目前尚未有系统完善的剪切性能评价方法和对应的测试装置。因此，本领域亟需研制出一种不仅适用于较厚层状复合材料，同时也适用于较薄层状复合材料的剪切装置和方法，同时试样的制备也必须便捷高效且能够有效避免界面处微裂纹对剪切强度的影响，同时又可以准确评价层状复合材料界面剪切强度的装置。我们在现有的测试装置和方法的基础上，设计了一种新型层状复合材料界面剪切强度的测试装置，该装置能够有效避免以上方法中存在的不足，同时装夹、卸载都比较方便，对待测样品的加工精度等要求比较低。
发明内容
针对以上存在的问题，本发明提供了一种新型异质层状梯度复合材料的界面剪切强度测试装置及其测试方法，该装置结构简单，操作便利，测试效率高，弥补了现有测试方法的不足，可以定量、安全、快速、准确地测量出金属层状复合材料、异种材料焊接接头以及梯度材料等材料的界面剪切强度。
本发明一种新型异质层状梯度复合材料的界面剪切强度测试装置，主要包括以下部分：针对不同厚度梯度复合材料，本发明所述新型测试装置包括测试装置A和测试装置B；
所述测试装置A由尺寸、形状完全一样的上剪切部件、下剪切部件，第一防护带、第二防护带组成；
所述上剪切部件由横臂、立臂、拉臂组成，所述立臂上开有第一缺口，所述第一缺口带有外沿，所述外沿的高度为0.5-5mm；垂直于立臂进行，投影缺口对应的投影成矩形；所述立臂远离横臂且位于第一缺口以上的地方设有卡口；所述卡口配合卡销将第一防护带固定在立臂上；所述缺口在立臂的高度方向的高为L；卡口配合卡销将第一防护带固定在立臂上后，第一防护带的上沿和第一缺口的下沿齐平；所述L为样品厚度为1.01～1.05倍；所述拉臂用于连接拉伸测试装置；上剪切部件向上移动；
所述下剪切部件由横臂、立臂、拉臂组成，所述立臂上开有第二缺口，所述第二缺口带有外沿，所述外沿的高度为0.5-5mm；垂直于立臂进行，投影缺口对应的投影成矩形；所述立臂远离横臂且位于第二缺口以上的地方设有卡口；所述卡口配合卡销将第二防护带固定在立臂上；所述缺口在立臂的高度方向的高为L；卡口配合卡销将第一防护带固定在立臂上后，第二防护带的上沿和第二缺口的下沿齐平；所述L为样品厚度为1.01～1.05倍；所述拉臂用于连接拉伸测试装置；所述第二缺口的结构和尺寸和第一缺口一致；工作时，下剪切部件工作向下移动；
将上剪切部件、下剪切部件进行组装，得到组装后的半成品；垂直于横臂进行投影，得到一个矩形1；矩形的长为L1、宽为L2；对所述第一防护带所围成的图形进行水平横切；所得图形为矩形2；矩形2的长为L3、宽为L4、矩形1和矩形2为相似图形且L3＝1.01～1.08L1；
将上剪切部件、下剪切部件进行组装，得到组装后的半成品；垂直于横臂进行投影，得到一个矩形1；矩形的长为L1、宽为L2；对所述第二防护带所围成的图形进行水平横切；所得图形为矩形3；矩形3的长也为L3、宽也为L4、矩形1和矩形3为相似图形且L3＝1.01～1.08L1；同时矩形3和矩形2为相同矩形；
所述装置B包括尺寸、形状完全一样的上、下挂件和限位垫块以及定位销组成；所述上挂件由挂柄和挂臂组成，所述挂臂由横梁和2根竖臂组成；横梁的中心位置与挂柄相连；每竖臂设有1个孔；竖臂呈对称结构设计且2根竖臂的结构一致；挂臂垂直时，2根竖臂上孔的圆心在同一水平面上，且垂直于任意一个孔进行投影；二个孔的投影完全重合；采用尺寸规则的立方块作为限位垫块，以保证超薄样品在加载过程中的受力为单纯的拉伸方向，其尺寸和挂臂的宽度匹配，所述竖臂的长度大于等于30mm；竖臂上的孔到横梁的直线距离大于等于20mm。
本发明一种新型异质层状梯度复合材料的界面剪切强度测试装置，测试装置A中横臂的长为30-50mm、横臂的厚度为8-15mm、立臂的高度为30-50mm、立臂的厚度为8-15mm；拉臂的直径为20-30mm、拉臂的高为30mm。
本发明一种新型异质层状梯度复合材料的界面剪切强度测试装置，组装后；第一缺口和第二缺口组成剪切口；所述剪切口呈对称结构。
本发明一种新型异质层状梯度复合材料的界面剪切强度测试装置，测试装置A中，拉臂上开有通孔，所述通孔的直径为5-10mm。
本发明一种新型异质层状梯度复合材料的界面剪切强度测试装置，测试装置B中，竖臂上小孔的孔径为5-10mm；且竖臂上小孔的孔径为定位销直径的1-1.5倍。
本发明一种新型异质层状梯度复合材料的界面剪切强度测试装置，组装后，测试装置A中，第一防护带与卡口之间还设有硅胶垫片；卡销穿过硅胶垫片将第一防护带固定在卡口上；第一防护带与卡口之间的最短距离为0.2-1mm。
本发明一种新型异质层状梯度复合材料的界面剪切强度测试装置，组装后，测试装置A中，第二防护带与卡口之间也设有硅胶垫片；卡销穿过硅胶垫片将第二防护带固定在卡口上；第二防护带与卡口之间的最短距离0.2-1mm。
本发明A、B装置的设计，主要是从精确、安全、快速、便捷的角度出发进行设计的。
本发明一种新型异质层状梯度复合材料的界面剪切强度测试装置的应用；装置A用于测试厚度大于5mm、优选为大于等于10mm的异质层状梯度复合材料界面剪切强度；
装置B用于测试厚度小于5mm的异质层状梯度复合材料界面剪切强度。
本发明一种新型异质层状梯度复合材料的界面剪切强度测试装置的应用；包括以下步骤：
步骤一
取层状金属复合材料，裁剪成所需尺寸的试样，层状金属复合材料由至少两层金属层构成；
步骤二
将试样与上、下剪切部件组装为一体，使得上、下剪切部件与层状金属复合材料轴中心线重合，得到待测试样与测试装置的装夹组合样；
步骤三
将步骤二组装的测试装夹组合样与万能材料试验机连接，准备进行拉伸试验；
步骤四
启动万能材料试验机，设置相应参数，进行拉伸试验，直至试样被拉断，同时记录拉伸过程中的载荷和位移；
步骤五
根据步骤五记载的位移和载荷绘制成位移-载荷曲线，通过计算得到异质层状梯度复合材料的界面剪切强度；
本发明一种新型异质层状梯度复合材料的界面剪切强度测试装置的应用；所述测试装置A和装置B用于测试层状金属复合材料的界面剪切强度、异种材料焊接接头的结合强度、梯度材料不同梯度层之间的剪切强度。
本发明测试方法方便快捷，避免装样过程损坏试样，显著提升了测试过程的可靠性和便利性，弥补了现有测试方法的不足，可以更方便快捷、安全准确的测量出层状梯度复合材料的界面剪切强度。
本发明所述一种新型异质层状梯度复合材料的界面剪切强度测试方法，所述装置B可以针对任意一层厚度小于等于3mm的样品进行剪切强度表征；
本发明的有益效果在于：
设计了一种便于操作的新型层状复合材料界面剪切强度测试装置，每次拉伸前能够快速、准确地将试样装夹在万能材料试验机上，并在拉伸后可以将试样快速、完全取出，并进行下一次试验，并使得上下模具与试样具有良好的同轴度，提升了测试的可靠性和便利性，弥补了现有测试方法的不足，可以更准确的测量出材料的界面剪切强度。
附图说明：
下面借助于在附图中示出的实施例对本发明进行详细解释：
图1本发明所提供的层状复合材料界面剪切强度测试装置A图；
图2实施例1中采用装置A测试粉末冶金一体化成形烧结制备的Al/Mg层状复合材料的界面剪切强度应力-应变曲线图；
图3本发明所提供的层状复合材料界面剪切强度测试装置B图；
图4实施例2中采用装置B测试叠层复合轧制制备的Al/Mg层状复合材料的界面剪切强度应力-应变曲线图；
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
粉末冶金一体化成形烧结制备的Al/Mg层状复合材料界面剪切强度测试，具体步骤如下：
步骤一
粉末冶金一体化成形烧结制备的Al/Mg层状复合材料，Al、Mg的厚度分别为5mm和5mm。采用电火花线切在制备的Al/Mg异种材料平行面上切取5×5×10mm的如图1中所示的样品，作为本实施例中的测试样品；
步骤二
将试样与上、下剪切部件(横臂的长为40mm、横臂的厚度为10mm、立臂的高度为35mm、立臂的厚度为10mm；防护带宽度30mm、边缘缺口高度1mm、拉臂的直径为20mm、拉臂的高为30mm、剪切口的尺寸为5.05×5.05×10.1mm)组装为一体，使得上、下剪切部件与层状金属复合材料轴中心线重合，得到待测试样与测试装置的装夹组合样；
步骤三
将步骤二组装的测试装夹组合样与万能材料试验机连接，准备进行拉伸试验；
步骤四
启动万能材料试验机，设置相应参数，进行拉伸试验，直至试样被拉断，同时记录拉伸过程中的载荷和位移；
步骤五
根据步骤五记载的位移和载荷绘制成位移-载荷曲线如图2所示，随后转化成应力-应变曲线，即可获得Al/Mg层状复合材料的界面结合强度。
实施例2：
叠层复合轧制制备的Al/Mg层状复合材料界面剪切强度测试，具体步骤如下：
步骤一
叠层复合轧制制备的Al/Mg层状复合材料，Al、Mg的厚度分别为1mm和1mm。采用电火花线切在制备的Al/Mg异种材料平行面上切取20×60mm的如图3中所示的样品，样品孔径8mm，距离边缘10mm，并在其基体面上错位切割1mm深度，作为本实施例中的测试样品；
步骤二
将试样与上、下剪切部件组装为一体(横臂的长为25mm、横臂的厚度为10mm、立臂的高度为50mm、立臂的厚度为10mm、两个立臂内侧宽度5mm、立臂上小孔的孔径为10mm，使用定位销直径8mm)，使得上、下剪切部件与层状金属复合材料轴中心线重合，得到待测试样与测试装置的装夹组合样，同时在两侧放入和样品尺寸匹配的限位垫块，以防止样品在加载过程中变形而影响测试精度；
步骤三
将步骤二组装的测试装夹组合样与万能材料试验机连接，准备进行拉伸试验；
步骤四
启动万能材料试验机，设置相应参数，进行拉伸试验，直至试样被拉断，同时记录拉伸过程中的载荷和位移；
步骤五
根据步骤五记载的位移和载荷绘制成位移-载荷曲线如图4所示，随后转化成应力-应变曲线，即可获得叠层复合轧制制备的Al/Mg层状复合材料的界面剪切强度。
Claims (9)
1.一种新型异质层状梯度复合材料的界面剪切强度测试装置，其特征在于；所述新型测试装置包括测试装置A和装置B；
所述测试装置A由尺寸、形状完全一样的上剪切部件、下剪切部件，第一防护带、第二防护带组成；
所述上剪切部件由横臂、立臂、拉臂组成，所述立臂上开有第一缺口，所述第一缺口带有外沿，所述外沿的高度为0.5-5mm；垂直于立臂进行，投影缺口对应的投影成矩形；所述立臂远离横臂且位于第一缺口以上的地方设有卡口；所述卡口配合卡销将第一防护带固定在立臂上；所述缺口在立臂的高度方向的高为L；卡口配合卡销将第一防护带固定在立臂上后，第一防护带的上沿和第一缺口的下沿齐平；所述L为样品厚度为1.01～1.05倍；所述拉臂用于连接拉伸测试装置；上剪切部件向上移动；
所述下剪切部件由横臂、立臂、拉臂组成，所述立臂上开有第二缺口，所述第二缺口带有外沿，所述外沿的高度为0.5-5mm；垂直于立臂进行，投影缺口对应的投影成矩形；所述立臂远离横臂且位于第二缺口以上的地方设有卡口；所述卡口配合卡销将第二防护带固定在立臂上；所述缺口在立臂的高度方向的高为L；卡口配合卡销将第一防护带固定在立臂上后，第二防护带的上沿和第二缺口的下沿齐平；所述L为样品厚度为1.01～1.05倍；所述拉臂用于连接拉伸测试装置；所述第二缺口的结构和尺寸和第一缺口一致；工作时，下剪切部件工作向下移动；
将上剪切部件、下剪切部件进行组装，得到组装后的半成品；垂直于横臂进行投影，得到一个矩形1；矩形的长为L1、宽为L2；对所述第一防护带所围成的图形进行水平横切；所得图形为矩形2；矩形2的长为L3、宽为L4、矩形1和矩形2为相似图形且L3＝1.01～1.08L1；
将上剪切部件、下剪切部件进行组装，得到组装后的半成品；垂直于横臂进行投影，得到一个矩形1；矩形的长为L1、宽为L2；对所述第二防护带所围成的图形进行水平横切；所得图形为矩形3；矩形3的长也为L3、宽也为L4、矩形1和矩形3为相似图形且L3＝1.01～1.08L1；同时矩形3和矩形2为相同矩形；
所述装置B包括尺寸、形状完全一样的上、下挂件和限位垫块以及定位销组成；所述上挂件由挂柄和挂臂组成，所述挂臂由横梁和2根竖臂组成；横梁的中心位置与挂柄相连；每竖臂设有1个孔；竖臂呈对称结构设计且2根竖臂的结构一致；挂臂垂直时，2根竖臂上孔的圆心在同一水平面上，且垂直于任意一个孔进行投影；二个孔的投影完全重合；采用尺寸规则的立方块作为限位垫块，以保证超薄样品在加载过程中的受力为单纯的拉伸方向，其尺寸和挂臂的宽度匹配，所述竖臂的长度大于等于30mm；竖臂上的孔到横梁的直线距离大于等于20mm。
2.根据权利要求1所述的种新型异质层状梯度复合材料的界面剪切强度测试装置，其特征在于：测试装置A中横臂的长为30-50mm、横臂的厚度为8-15mm、立臂的高度为30-50mm、立臂的厚度为8-15mm；拉臂的直径为20-30mm、拉臂的高为30mm。
3.根据权利要求1所述的新型异质层状梯度复合材料的界面剪切强度测试装置，其特征在于：测试装置A中，拉臂上开有通孔，所述通孔的直径为5-10mm。
4.根据权利要求1所述的种新型异质层状梯度复合材料的界面剪切强度测试装置，其特征在于：测试装置B中，竖臂上小孔的孔径为5-10mm；且竖臂上小孔的孔径为定位销直径的1-1.5倍。
5.根据权利要求1所述的新型异质层状梯度复合材料的界面剪切强度测试装置，其特征在于：组装后，测试装置A中，第一防护带与卡口之间还设有硅胶垫片；卡销穿过硅胶垫片将第一防护带固定在卡口上；第一防护带与卡口之间的最短距离为0.2-1mm。
6.根据权利要求1所述的种新型异质层状梯度复合材料的界面剪切强度测试装置，其特征在于：组装后，测试装置A中，第二防护带与卡口之间也设有硅胶垫片；卡销穿过硅胶垫片将第二防护带固定在卡口上；第二防护带与卡口之间的最短距离0.2-1mm。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的新型异质层状梯度复合材料的界面剪切强度测试装置的应用；其特征在于：
装置A用于测试厚度大于5mm、优选为大于等于10mm的异质层状梯度复合材料界面剪切强度；
装置B用于测试厚度小于5mm的异质层状梯度复合材料界面剪切强度。
8.根据权利要求7所述的新型异质层状梯度复合材料的界面剪切强度测试装置的应用；其特征在于：包括以下步骤：
步骤一
取层状金属复合材料，裁剪成所需尺寸的试样，层状金属复合材料由至少两层金属层构成；
步骤二
将试样与上、下剪切部件组装为一体，使得上、下剪切部件与层状金属复合材料轴中心线重合，得到待测试样与测试装置的装夹组合样；
步骤三
将步骤二组装的测试装夹组合样与万能材料试验机连接，准备进行拉伸试验；
步骤四
启动万能材料试验机，设置相应参数，进行拉伸试验，直至试样被拉断，同时记录拉伸过程中的载荷和位移；
步骤五
根据步骤五记载的位移和载荷绘制成位移-载荷曲线，通过计算得到异质层状梯度复合材料的界面剪切强度。
9.根据权利要求1-6任意一项所述的新型异质层状梯度复合材料的界面剪切强度测试装置的应用，其特征在于；所述测试装置A和装置B用于测试层状金属复合材料的界面剪切强度、异种材料焊接接头的结合强度、梯度材料不同梯度层之间的剪切强度。
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