CN115343174A - 一种面内剪切性能测试试件、夹具和方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种面内剪切性能测试试件、夹具和方法，用于陶瓷基复合材料面内剪切性能的测试，包括：试件本体；试件本体上对称设置有第一约束、第二约束部和受力部；第一约束部和第二约束部位于试件本体的两侧，受力部位于试件本体的中部；第一约束部和受力部之间设置有第一缩颈区，第二约束部和受力部之间设置有第二缩颈区。本发明提供的面内剪切性能测试试件，通过对试件本体进行对称加载，避免了试件本体的扭转效应，提高了试件本体缩颈区的面内剪切应变分布的均匀性，并且可以同时对第一缩颈区和第二缩颈区的剪切应力‑应变进行测量，在一次试验中得到两组测试数据，提高了面内剪切性能测试试件的利用率。

Description

一种面内剪切性能测试试件、夹具和方法

技术领域

本发明涉及材料力学性能测试技术领域，更具体地说，涉及一种面内剪切性能测试试件、夹具和方法，适用于陶瓷基复合材料面内剪切性能的测试。

背景技术

陶瓷基复合材料是一类热结构材料，因其具有耐高温、抗氧化、耐腐蚀和耐磨损等优异性能，在航空、航天和核能等领域有重要应用。面内剪切性能是陶瓷基复合材料的一项基本力学性能，是表征材料全面力学行为的一项重要性能参数，也是开展陶瓷基复合材料结构高精度仿真模拟时需要输入的必要材料参数。

现有技术中，陶瓷基复合材料的面内剪切性能测试方法，一般可分为两类，第一类为Iosipescu剪切法，即采用只含一对V型缺口的试件进行非对称四点弯曲加载，第二类为双切口试件压剪法。对于Iosipescu剪切法，由于采用一对V型缺口，对试件进行非对称四点弯曲加载，而在加载过程中易产生扭转变形，这种扭转变形的影响随着试件的厚度变小而变得更为严重，直接影响了面内剪切应力-应变曲线的测量精度，而将其用于陶瓷基复合材料的测试容易发生试件与夹具接触处的压溃，无法得到有效测试结果。对于双切口试件压剪法，只能测得试件的剪切强度，无法得到剪切应力-应变曲线。

因此，如何提高陶瓷基复合材料试件面内剪切性能的测量精度、试验的有效性和试件的利用率，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种面内剪切性能测试试件，以提高陶瓷基复合材料试件面内剪切性能的测量精度、试验的有效性和试件的利用率；

本发明的另一目的在于提供一种用于上述面内剪切性能测试试件的面内剪切性能测试夹具；

本发明的另一目的在于提供一种针对上述面内剪切性能测试夹具的面内剪切性能测试方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种面内剪切性能测试试件，包括：

试件本体；

所述试件本体上等间距设置有第一约束部、第二约束部和受力部；所述第一约束部和所述第二约束部位于所述试件本体的两侧，并镜像对称分布，所述受力部位于所述试件本体的中部；

所述第一约束部和所述受力部之间设置有第一缩颈区，所述第二约束部和所述受力部之间设置有第二缩颈区；所述第一缩颈区与所述第二缩颈区相对于所述受力部镜像对称分布。

可选地，在上述面内剪切性能测试试件中，所述第一缩颈区包括对称设置的第一V型缺口和第二V型缺口，且所述第一V型缺口和所述第二V型缺口的尖端相对设置；所述第二缩颈区包括对称设置的第三V型缺口和第四V型缺口，且所述第三V型缺口和所述第四V型缺口的尖端相对设置。

可选地，在上述面内剪切性能测试试件中，所述第一V型缺口和所述第二V型缺口之间形成有第一测试区域；所述第三V型缺口和所述第四V型缺口之间形成有第二测试区域；所述第一测试区域和所述第二测试区域为测量所述试件本体的应变的区域。

可选地，在上述面内剪切性能测试试件中，所述第一V型缺口、所述第二V型缺口、所述第三V型缺口和所述第四V型缺口的开口端张开角度为80°～90°，且所述尖端通过圆弧过渡。

可选地，在上述面内剪切性能测试试件中，所述试件本体的厚度为2mm～4mm；和/或，

所述第一缩颈区与所述第二缩颈区之间的距离为所述试件本体的长度的0.25～0.3倍；和/或，

所述第一缩颈区与所述试件本体的第一端之间的距离为所述试件本体的长度的0.25～0.3倍；所述第二缩颈区与所述试件本体的第二端之间的距离为所述试件本体的长度的0.25～0.3倍；和/或，

所述试件本体的宽度为长度的0.16～0.18倍；和/或，

所述第一V型缺口和所述第二V型缺口之间形成的第一测试区域的宽度为所述试件本体的宽度的0.5～0.6倍；和/或，

所述第三V型缺口和所述第四V型缺口之间形成的第二测试区域的宽度为所述试件本体的宽度的0.5～0.6倍。

一种面内剪切性能测试夹具，用于如上任一项所述的面内剪切性能测试试件，包括：

加载装置，包括连接部和加载部，所述连接部用于被试验机夹持；所述加载部上开设有加载槽，所述加载槽用于夹持所述试件本体的受力部；

楔形夹，至少为两对，且每对所述楔形夹合并后形成用于卡夹所述试件本体的夹持槽；所述楔形夹分别设置于所述试件本体的第一约束部和所述试件本体的第二约束部的位置处；

夹具底座，设置有底座矩形槽，用于为所述试件本体提供变形空间；所述夹具底座的两端分别开设有用于与所述楔形夹配合的梯形槽。

可选地，在上述面内剪切性能测试夹具中，所述楔形夹包括对称的设置于所述试件本体两侧的夹块；所述夹块包括夹块斜面和夹块凹槽，所述夹块斜面设置于所述夹块的第一侧面，用于与所述夹具底座的梯形槽配合，所述夹块凹槽设置于与所述夹块的第一侧面相对的第二侧面上，用于卡夹所述试件本体；所述夹块凹槽的深度小于所述试件本体的厚度的一半。

可选地，在上述面内剪切性能测试夹具中，所述楔形夹的底部与所述梯形槽的底部之间的距离至少为1mm；和/或，

所述加载槽的宽度与所述试件本体的宽度相等；和/或，

所述夹块凹槽的深度较0.5倍所述试件本体的厚度小0.1mm～0.5mm。

一种面内剪切性能测试方法，针对如上所述的面内剪切性能测试夹具的测试方法，包括步骤：

分别测量所述面内剪切性能测试试件的第一测试区域和第二测试区域的剪切面的横截面积S₁和S₂；

采用恒定的位移加载速率，通过试验机对所述面内剪切性能测试试件的中部加载部进行压缩加载，采集加载过程中试验机载荷P；

根据采集的试验机载荷P、所述第一测试区域的剪切面的横截面积S₁和所述第二测试区域的剪切面的横截面积S₂，得到所述第一测试区域的剪切应力τ₁和所述第二测试区域的剪切应力τ₂，其中，τ₁＝P/S₁，τ₂＝P/S₂；

加载过程中，同时利用应变测量装置测量所述第一测试区域的剪切应变γ₁和所述第二测试区域的剪切应变γ₂；

根据加载过程中，分别在所述第一测试区域和所述第二测试区域得到的剪切应力τ₁和τ₂，以及分别在所述第一测试区域和所述第二测试区域测得的剪切应变γ₁和γ₂，分别绘制出所述第一测试区域和所述第二测试区域的剪切应力-应变曲线。

可选地，在上述面内剪切性能测试方法中，所述应变测量装置为应变计。

可选地，在上述面内剪切性能测试方法中，所述面内剪切性能测试方法适用于连续纤维、短切纤维、晶须和颗粒增强的陶瓷基复合材料的测试。

本发明提供的面内剪切性能测试试件，通过在试件本体上设置第一约束部、第二约束部和受力部，且第一约束部和第二约束部位于试件本体的两侧，镜像对称分布，受力部位于试件本体的中部，以实现对试件本体对称加载。在第一约束部和受力部之间设置有第一缩颈区，在第二约束部和受力部之间设置有第二缩颈区，且第一缩颈区与第二缩颈区相对于受力部镜像对称分布。

与现有技术相比，本发明提供的面内剪切性能测试试件，通过对试件本体进行对称加载，避免了试件本体的扭转效应，提高了试件本体的缩颈区的面内剪切应变分布的均匀性，可提高剪切应变测量精度和试验的有效性，且由于试件本体上设置有第一缩颈区和第二缩颈区，因此可以同时对第一缩颈区和第二缩颈区的剪切应力-应变进行测量，实现在一次试验中获得两组剪切性能数据，提高了面内剪切性能测试试件的利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的面内剪切性能测试试件的正视图；

图2为本发明实施例提供的面内剪切性能测试试件的左视图；

图3为本发明实施例提供的面内剪切性能测试夹具与试件装配后的轴侧图；

图4为本发明实施例提供的面内剪切性能测试夹具与试件装配后的左视图；

图5为本发明实施例提供的夹具底座的轴侧图；

图6为本发明实施例提供的夹具底座的正视图；

图7为本发明实施例提供的夹具底座的左视图；

图8为本发明实施例提供的夹块的轴侧图；

图9为本发明实施例提供的面内剪切性能测试试件与夹块装配后的轴侧图；

图10为本发明实施例提供的夹具加载装置的轴侧图；

图11为本发明实施例提供的面内剪切性能测试试件在两对V型缺口处的剪切应力-应变曲线图；

图12为本发明实施例提供的面内剪切性能测试试件剪切应变云图。

其中，100为试件本体，101为第一测试区域，1011为第一V型缺口，1012为第二V型缺口，102为第二测试区域，1021为第三V型缺口，1022为第四V型缺口，200为夹具底座，201为梯形槽底部，202为第一梯形槽，203为第二梯形槽，204为底座矩形槽，300为第一夹块，301为第二夹块，302为第三夹块，3021为夹块斜面，3022为夹块凹槽，3023为夹块端面，303为第四夹块，304为第一间隙，305为第二间隙，306为楔形夹底部，307为夹持槽，400为加载装置，401为连接部，402为加载部，403为加载槽。

具体实施方式

本发明的核心在于提供一种面内剪切性能测试试件，以提高陶瓷基复合材料试件面内剪切性能的测量精度、试验的有效性和试件的利用率；

本发明的另一核心在于提供一种用于上述面内剪切性能测试试件的面内剪切性能测试夹具；

本发明的另一核心在于提供一种针对上述面内剪切性能测试夹具的面内剪切性能测试方法。

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1和图2所示，本发明实施例公开了一种面内剪切性能测试试件，包括试件本体100。需要说明的是，本发明实施例公开了一种面内剪切性能测试试件的材料主要为碳化硅纤维增强的碳化硅基复合材料(以下简称为SiC_f/SiC)，材料为层板结构，采用单向预浸料铺层方式制备，由于材料制备工艺为预浸料熔融渗透工艺，受到熔融渗透工艺的限制，SiC_f/SiC的厚度一般为2mm～4mm，本实施例中制备得到的面内剪切性能测试试件的厚度为2.3mm。当然，面内剪切性能测试试件的材料还可以为其它类型的陶瓷基复合材料，例如连续纤维、短切纤维和晶须等，只要采用本实施例公开的面内剪切性能测试试件的材料类型，均在本申请的保护范围之内。

具体地，试件本体100上等间距设置有第一约束部、第二约束部和受力部，且第一约束部和第二约束部镜像对称分布。其中，第一约束部和第二约束部位于试件本体100的两侧，受力部位于试件本体100的中部。在一具体实施例中，第一约束部和第二约束部设置于试件本体100的两侧，且分别位于试件本体100的右侧和左侧(图1视角)，为了形成对称加载的方式下的剪切变形，受力部位于第一约束部和第二约束部的中间位置，由此消除试件本体100在非对称加载方式下诱发的扭转效应的影响。需要说明的是，第一约束部和第二约束部为被夹具支座约束，并提供支座反力的受力位置，受力部为加载荷载的直接受力位置。

进一步地，第一约束部和受力部之间设置有第一缩颈区，第二约束部和受力部之间设置有第二缩颈区，第一缩颈区与第二缩颈区相对于受力部镜像对称分布。需要说明的是，第一缩颈区和第二缩颈区的中部分别为试件本体100的两个剪切测试的测试区，且第一缩颈区和第二缩颈区的宽度小于试件本体100的宽度，两个测试区的宽度为试件本体100的宽度的0.5～0.6倍。本发明实施例进行的面内剪切性能测试在第一缩颈区和第二缩颈区进行。由于第一缩颈区与第二缩颈区相对于受力部镜像对称分布，使得第一缩颈区与第二缩颈区的受力状态相同，因此，在理想状态下，第一缩颈区和第二缩颈区的面内剪切性能测试结果应为一致。

本发明提供的面内剪切性能测试试件，通过在试件本体100上设置第一约束部、第二约束部和受力部，且第一约束部和第二约束部位于试件本体100的两侧，镜像对称分布，受力部位于试件本体100的中部，以实现对试件本体100对称加载。在第一约束部和受力部之间设置有第一缩颈区，在第二约束部和受力部之间设置有第二缩颈区，且第一缩颈区与第二缩颈区相对于受力部镜像对称分布。

与现有技术相比，本发明提供的面内剪切性能测试试件，通过对试件本体100进行对称加载，避免了试件本体100的扭转效应，提高了试件本体100的缩颈区的面内剪切应变分布的均匀性，提高了剪切性能的测量精度和试验的有效性，且由于试件本体100上设置有第一缩颈区和第二缩颈区，因此可以同时对第一缩颈区和第二缩颈区的剪切应力-应变进行测量，实现在一次试验中得到两组剪切性能数据，提高了面内剪切性能测试试件的利用率。

如图1所示，在一具体实施例中，试件本体100为对称的矩形板状结构，且第一缩颈区包括对称设置的第一V型缺口1011和第二V型缺口1012，第一V型缺口1011和第二V型缺口1012的尖端相对设置，第二缩颈区包括对称设置的第三V型缺口1021和第四V型缺口1022，第三V型缺口1021和第四V型缺口1022的尖端相对设置。其中，第一V型缺口1011和第二V型缺口1012组成一对，并在第一V型缺口1011和第二V型缺口1012之间形成有第一测试区域101，第三V型缺口1021和第四V型缺口1022组成一对，并在第三V型缺口1021和第四V型缺口1022之间形成有第二测试区域102，第一测试区域101和第二测试区域102为测量试件本体100的应变的区域。需要说明的是，四个V型缺口相对于试件本体100的长度方向和宽度方向的两个中轴线对称镜像分布。

具体地，在上述实施例中，第一V型缺口1011、第二V型缺口1012、第三V型缺口1021和第四V型缺口1022的开口端张开角度为80°～90°，四个V型缺口的深度至少为试件本体100宽度的0.2～0.25倍，由此产生两个宽度为试件本体100的宽度的0.5～0.6倍的测试区，以保证试件本体100在V型缺口处能够被剪断，且尖端通过圆弧过渡，圆弧半径为1mm～1.5mm，以避免应力集中，影响面内剪切性能测试的精确度。

进一步地，试件本体100的厚度为2mm～4mm，在本实施例中，采用的试件本体100的厚度为2.2mm。和/或，试件本体100的长度为110mm～120mm。和/或，第一缩颈区与第二缩颈区之间的距离为试件本体100的长度的0.25～0.3倍。和/或，第一缩颈区与试件本体100的第一端之间的距离为试件本体100的长度的0.25～0.3倍，第二缩颈区与试件本体100的第二端之间的距离为试件本体100的长度的0.25～0.3倍。和/或，试件本体100的宽度为长度的0.16～0.18倍。和/或，第一V型缺口1011和第二V型缺口1012之间形成的第一测试区域101的宽度为试件本体100的宽度的0.5～0.6倍。和/或，第三V型缺口1021和第四V型缺口1022之间形成的第二测试区域102的宽度为试件本体100的宽度的0.5～0.6倍。

在具体实施例中，试件本体100的具体尺寸如表1所示。在实际使用时，也可采用其它的试件尺寸，只需满足上述试件本体100的尺寸要求即可。需要说明的是，试件本体100即为表中的试件；两个V型缺口根部的间距即为两个V型缺口尖端之间的距离；试件两侧平行段的长度指的是第一缩颈区和第二缩颈区分别距试件本体100两端的距离，即为第一缩颈区与试件本体100的第一端之间的距离以及第二缩颈区与试件本体100的第二端之间的距离，且两个距离相等；试件中间平行段的长度指的是第一缩颈区与第二缩颈区之间的距离。

表1本实施例试件具体尺寸

尺寸名称	尺寸数值/mm
		试件宽度	20
V型缺口张开角度	90°
		V型缺口圆弧半径	1.3
试件长度	110
		两个V型缺口根部的间距	11
试件两侧平行段的长度	30
		试件中间平行段的长度	30

本发明实施例还公开了一种面内剪切性能测试夹具，用于如上实施例公开的面内剪切性能测试试件，因此该试件兼具上述面内剪切性能测试试件的所有技术效果，本文在此不再赘述。其中，如图3所示，面内剪切性能测试夹具包括加载装置400、楔形夹和夹具底座200。需要说明的是，本实施例所公开的面内剪切性能测试夹具仅是用于面内剪切性能测试试件的试件本体100为矩形板状结构的情况，当然，也可以用于其它形状的面内剪切性能测试试件，本文在此不再一一列举。

具体地，如图10所示，加载装置400包括连接部401和加载部402，连接部401用于被试验机夹持，加载部402上开设有加载槽403，加载槽403用于夹持试件本体100的受力部。在具体实施例中，连接部401为圆柱体，加载部402为矩形块，加载槽403为矩形槽。其中，矩形槽的长度与矩形块的长度相等，即矩形槽贯穿于矩形块的长度方向。矩形槽的深度等于试件本体100的宽度。通过试验机夹持连接部401，从而将试验机的荷载向试件本体100的受力部传递。

进一步地，如图4和图9所示，楔形夹至少为两对，为了方便理解，将两对楔形夹分别定义为第一楔形夹和第二楔形夹，且每对楔形夹形成有用于夹持试件本体100的夹持槽307，其中，第一楔形夹设置于试件本体100的第一约束部的位置处，第二楔形夹设置于试件本体100的第二约束部的位置处，第一楔形夹和第二楔形夹用于试验机在试件本体100的受力部位置处加载的条件下，约束试件本体100的第一约束部和第二约束部，并提供支座反力。

如图5至图7所示，夹具底座200开设有贯穿夹具底座200厚度方向的底座矩形槽204，用于提供加载装置400的移动空间以及试件本体100的变形空间。在夹具底座200的两端分别开设有用于与楔形夹配合的梯形槽，为了方便理解，将与第一楔形夹配合的梯形槽定义为第一梯形槽202，与第二楔形夹配合的梯形槽定义为第二梯形槽203。其中，第一梯形槽202从夹具底座200的右端(图5视角)贯通并与底座矩形槽204相连，第二梯形槽203从夹具底座200的左端(图5视角)贯通并与底座矩形槽204相连，以保证试件本体100在楔形夹的夹持下能安装于夹具底座200上。

进一步地，如图3所示，第一楔形夹包括对称的设置于试件本体100两侧的第一夹块300和第二夹块301，第二楔形夹包括对称的设置于试件本体100两侧的第三夹块302和第四夹块303。其中，如图8所示，每个夹块包括夹块斜面3021、夹块凹槽3022和夹块端面3023，夹块斜面3021设置于夹块的第一侧面，用于与夹具底座200的梯形槽配合。夹块凹槽3022开设于与夹块的第一侧面相对的第二侧面上，用于卡夹试件本体100。如图9所示，夹块凹槽3022的宽度与试件本体100的宽度相等。当两个夹块的夹块凹槽3022的面相对组合后，以形成用于卡夹试件本体100的夹持槽307。进一步地，夹块端面3023为位于夹块的第二侧面上且凸出夹块凹槽3022的平面。需要说明的是，夹块凹槽3022的深度小于试件本体100的厚度的一半，以使当第一夹块300和第二夹块301组合后，在夹块端面3023位置处形成有第一间隙304，当第三夹块302和第四夹块303组合后，在夹块端面3023位置处形成有第二间隙305。

其中，第一间隙304和第二间隙305的设置可便于试件本体100的对中，同时可以随着荷载的施加，使得夹具底座200的梯形槽侧壁形成反作用于楔形夹的压紧力，这个压紧力可以传递到试件本体100的两个侧面，提供稳定的侧面支撑，防止面外变形的发生，避免了试件本体100与面内剪切性能测试夹具接触的位置处发生应力集中。

进一步地，楔形夹底部306与梯形槽底部201之间的距离至少为1mm。和/或，加载槽403的宽度与试件本体100的宽度相等，以保证加载部402与试件本体100的接触为面与面的接触，避免了应力集中的产生。和/或，夹块凹槽3022的深度较0.5倍试件本体100的厚度小0.1mm～0.5mm，从而保证试件本体100与两对楔形夹完成装配后，分别在两对楔形夹之间能够形成0.2mm～1mm的第一间隙304和第二间隙305。

本发明实施例公开的面内剪切性能测试夹具，可以实现在高温环境下，消除试件本体100与面内剪切性能测试夹具之间的间隙。试验时，只需在室温下完成试件本体100与面内剪切性能测试夹具的装配，在高温试验加热和保温后的加载阶段，通过预加载和卸载，即可消除试件本体100与面内剪切性能测试夹具之间的间隙。

需要说明的是，面内剪切性能测试夹具当在室温环境下可采用普通低碳钢制备；当在1000℃以下的高温环境下可采用高温合金制备；当在1000℃以上的高温环境下可采用耐高温陶瓷材料制备。在本发明实施例中，面内剪切性能测试在室温环境下进行，因此，面内剪切性能测试夹具采用普通低碳钢制备。

本发明实施例还公开了一种面内剪切性能测试方法，该方法为针对如上实施例公开的面内剪切性能测试试件和夹具的测试方法，该试件和夹具兼具上述面内剪切性能测试试件和夹具的所有技术效果，本文在此不再赘述。其中，面内剪切性能测试方法，包括以下步骤：

第一步，分别在面内剪切性能测试试件的第一测试区域101和第二测试区域102位置处测量出面内剪切性能测试试件的厚度h₁和h₂，以及两个V型缺口的尖端之间的距离L₁和L₂，根据S₁＝h₁×L₁，S₂＝h₂×L₂分别获取面内剪切性能测试试件的第一测试区域101和第二测试区域102的剪切面的横截面积S₁和S₂。

第二步，将面内剪切性能测试试件的右侧卡夹于右侧(图3视角)的第一楔形夹构成的夹持槽307中，以同样地方式，将面内剪切性能测试试件的左侧卡夹于左侧(图3视角)的第二楔形夹构成的夹持槽307中，然后，将面内剪切性能测试试件与两对楔形夹的组合件，向夹具底座200内部嵌入，使得两对楔形夹分别滑入夹具底座200两端的梯形槽中，以保证面内剪切性能测试试件在夹具中的对中性，再将装配好面内剪切性能测试试件和楔形夹的夹具底座200放置于试验机下压盘的中心位置处，同时将加载装置400的连接部401夹持于试验机上夹头中，以完成面内剪切性能测试试件和夹具的装配。

第三步，通过控制试验机上夹头向下移动，加载装置400随之向下移动，使得加载装置400穿过面内剪切性能测试试件的中部平行段部分(中部平行段部分即为受力部位置处)，随着试验机上夹头持续向下移动，直到加载装置400的加载槽403的根部与面内剪切性能测试试件中部平行段部分的顶部接触，再以一个缓慢的速率，继续向下移动试验机上夹头，同时关注试验机的载荷值，当荷载值达到约50N时，停止加载，然后控制试验机上夹头缓慢向上移动，直到试验机的载荷示数接近零，通过此操作消除面内剪切性能测试试件与夹具之间的间隙。当消除了面内剪切性能测试试件与夹具之间的间隙后，再利用试验机对面内剪切性能测试试件进行加载，以恒定的位移加载速率，在具体实施例中采用的加载速率为2mm/min，加载过程中采集试验机载荷P，同时采集第一测试区域101和第二测试区域102的剪切应变。需要说明的是，当在高温的环境下进行测试时，需调整加热装置的位置后开始升温，达到目标温度后保温20分钟，在开始进行加载过程。

第四步，根据采集的试验机载荷P、第一测试区域101的剪切面的横截面积S₁和第二测试区域102的剪切面的横截面积S₂，得到第一测试区域101的剪切应力τ₁和第二测试区域102的剪切应力τ₂，其中，τ₁＝P/S₁，τ₂＝P/S₂。加载过程中，同时利用应变测量装置测量出第一测试区域101的剪切应变γ₁和第二测试区域102的剪切应变γ₂。

在具体实施例中，应变测量装置可以为应变计，当采用应变计时，在面内剪切性能测试试件前后表面粘贴应变计，本实施例优选叠片方式的双轴应变计，将4个双轴应变计粘贴于面内剪切性能测试试件的第一测试区域101和第二测试区域102的前后表面处，并且使双轴应变计两个叠片的敏感栅分别沿与两个V型缺口的尖端连线呈±45°夹角的方向排布。测量前，对双轴应变计进行平衡清零，然后在试验机上设置位移加载模式，加载速率设置为2mm/min，启动试验机，开始双轴应变计的数据采集工作。需要说明的是，第一测试区域101的剪切应变γ₁和第二测试区域102的剪切应变γ₂为前后双轴应变计测量数据的平均值。

第五步，根据分别在第一测试区域101和第二测试区域102得到的剪切应力τ₁和τ₂，以及分别在第一测试区域101和第二测试区域102测得的剪切应变γ₁和γ₂，分别绘制出第一测试区域101和第二测试区域102的剪切应力-应变曲线。根据剪切应力-应变曲线线性段部分的数据，线性拟合得到剪切模量G。面内剪切性能测试试件破坏时的最大载荷P_max与被剪断的测试区域的横截面积的比值为面内剪切强度。

在具体实施例中，利用面内剪切性能测试方法，对SiC_f/SiC进行测试，分别得到了第一测试区域101和第二测试区域102的剪切应力-应变曲线，如图11所示(图11仅显示第一测试区域101和第二测试区域102的剪切应力-应变曲线在破坏前的阶段，未显示第一测试区域101和第二测试区域102破坏后的阶段)。根据两条曲线的线性段进行拟合，得到第一测试区域101的面内剪切模量G₁＝66.4GPa，第二测试区域102的面内剪切模量G₂＝66.5GPa，由于第一测试区域101被剪断，因此，对应的第一测试区域101的应力为244MPa，面内剪切剪切强度为244MPa。

针对上述实施例，利用有限元软件ABAQUS建立了本发明实施例公开的含两个测试区域(两对V型缺口)的面内剪切性能测试试件并采用对称加载方式的有限元模型，以及传统的只含一个测试区域(一对V型缺口)的面内剪切性能测试试件并采用非对称加载方式的有限元模型，分析得到了含两个测试区域的面内剪切性能测试试件的剪切应变分布，如图12中的(a)所示，以及只含有一个测试区域的面内剪切性能测试试件的剪切应变分布，如图12中的(b)所示，对比分析可见，相比于采用传统的只含一个测试区域试件的情形，采用本发明实施例公开的含两个测试区域的面内剪切性能测试试件获得的剪切应变均匀区的范围明显扩大，可获得更精确的应变测量。需要说明的是，理想状态下，由于含两个测试区域(两对V型缺口)的面内剪切性能测试试件为对称分布并采用对称加载的方式，因此，第一测试区域101和第二测试区域102附近的剪切应变为相同的分布，由此图12中的(a)仅显示其中一个测试区域的剪切应变分布。

进一步地，本发明实施例公开的面内剪切性能测试方法不仅可以对SiC_f/SiC进行测试，也可以适用于连续纤维、短切纤维、晶须和颗粒增强的陶瓷基复合材料的测试，只要为本实施例所涉及的材料类型，均在本申请的保护范围内。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有设定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种面内剪切性能测试试件，用于陶瓷基复合材料面内剪切性能的测试，其特征在于，包括：

试件本体(100)；

所述试件本体(100)上设置有第一约束部、第二约束部和受力部；所述第一约束部和所述第二约束部位于所述试件本体(100)的两侧，并镜像对称分布；所述受力部位于所述试件本体(100)的中部；

所述第一约束部和所述受力部之间设置有第一缩颈区，所述第二约束部和所述受力部之间设置有第二缩颈区；所述第一缩颈区与所述第二缩颈区相对于所述受力部镜像对称分布。

2.根据权利要求1所述的面内剪切性能测试试件，其特征在于，所述第一缩颈区包括对称设置的第一V型缺口(1011)和第二V型缺口(1012)，且所述第一V型缺口(1011)和所述第二V型缺口(1012)的尖端相对设置；所述第二缩颈区包括对称设置的第三V型缺口(1021)和第四V型缺口(1022)，且所述第三V型缺口(1021)和所述第四V型缺口(1022)的尖端相对设置。

3.根据权利要求2所述的面内剪切性能测试试件，其特征在于，所述第一V型缺口(1011)和所述第二V型缺口(1012)之间形成有第一测试区域(101)；所述第三V型缺口(1021)和所述第四V型缺口(1022)之间形成有第二测试区域(102)；所述第一测试区域(101)和所述第二测试区域(102)为测量所述试件本体(100)的应变的区域。

4.根据权利要求3所述的面内剪切性能测试试件，其特征在于，所述第一V型缺口(1011)、所述第二V型缺口(1012)、所述第三V型缺口(1021)和所述第四V型缺口(1022)的开口端张开角度为80°～90°，且所述尖端通过圆弧过渡。

5.根据权利要求3所述的面内剪切性能测试试件，其特征在于，所述试件本体(100)的厚度为2mm～4mm；和/或，

所述试件本体(100)的第一缩颈区与所述试件本体(100)的第二缩颈区之间的距离为所述试件本体(100)的长度的0.25～0.3倍；和/或，

所述第一缩颈区与所述试件本体(100)的第一端之间的距离为所述试件本体(100)的长度的0.25～0.3倍；所述第二缩颈区与所述试件本体(100)的第二端之间的距离为所述试件本体(100)的长度的0.25～0.3倍；和/或，

所述试件本体(100)的宽度为长度的0.16～0.18倍；和/或，

所述第一V型缺口(1011)和所述第二V型缺口(1012)之间形成的第一测试区域(101)的宽度为所述试件本体(100)的宽度的0.5～0.6倍；和/或，

所述第三V型缺口(1021)和所述第四V型缺口(1022)之间形成的第二测试区域(102)的宽度为所述试件本体(100)的宽度的0.5～0.6倍。

6.一种面内剪切性能测试夹具，其特征在于，用于如权利要求1-5任一项所述的面内剪切性能测试试件，包括：

加载装置(400)，包括连接部(401)和加载部(402)，所述连接部(401)用于被试验机夹持；所述加载部(402)上开设有加载槽(403)，所述加载槽(403)用于夹持所述试件本体(100)的受力部；

楔形夹，至少为两对，且每对所述楔形夹合并后形成用于卡夹所述试件本体(100)的夹持槽(307)；所述楔形夹分别设置于所述试件本体(100)的第一约束部和所述试件本体(100)的第二约束部的位置处；

夹具底座(200)，设置有底座矩形槽(204)，用于为所述试件本体(100)提供变形空间；所述夹具底座(200)的两端分别开设有用于与所述楔形夹配合的梯形槽。

7.根据权利要求6所述的面内剪切性能测试夹具，其特征在于，所述楔形夹包括对称的设置于所述试件本体(100)两侧的夹块；所述夹块包括夹块斜面(3021)和夹块凹槽(3022)，所述夹块斜面(3021)设置于所述夹块的第一侧面，用于与所述夹具底座(200)的梯形槽配合，所述夹块凹槽(3022)设置于与所述夹块的第一侧面相对的第二侧面上，用于卡夹所述试件本体(100)；所述夹块凹槽(3022)的深度小于所述试件本体(100)的厚度的一半。

8.根据权利要求7所述的面内剪切性能测试夹具，其特征在于，所述楔形夹的底部与所述梯形槽的底部之间的距离至少为1mm；和/或，

所述加载槽(403)的宽度与所述试件本体(100)的宽度相等；和/或，

所述夹块凹槽(3022)的深度较0.5倍所述试件本体(100)的厚度小0.1mm～0.5mm。

9.一种面内剪切性能测试方法，其特征在于，针对如权利要求6所述的面内剪切性能测试夹具的测试方法，包括步骤：

分别测量所述面内剪切性能测试试件的第一测试区域(101)和第二测试区域(102)的剪切面的横截面积S₁和S₂；

采用恒定的位移加载速率，通过试验机对所述面内剪切性能测试试件的中部加载部进行压缩加载，采集加载过程中试验机载荷P；

根据采集的试验机载荷P、所述第一测试区域(101)的剪切面的横截面积S₁和所述第二测试区域(102)的剪切面的横截面积S₂，得到所述第一测试区域(101)的剪切应力τ₁和所述第二测试区域(102)的剪切应力τ₂，其中，τ₁＝P/S₁，τ₂＝P/S₂；

加载过程中，同时利用应变测量装置测量所述第一测试区域(101)的剪切应变γ₁和所述第二测试区域(102)的剪切应变γ₂；

根据加载过程中，分别在所述第一测试区域(101)和所述第二测试区域(102)得到的剪切应力τ₁和τ₂，以及分别在所述第一测试区域(101)和所述第二测试区域(102)测得的剪切应变γ₁和γ₂，分别绘制出所述第一测试区域(101)和所述第二测试区域(102)的剪切应力-应变曲线。

10.根据权利要求9所述的面内剪切性能测试方法，其特征在于，所述应变测量装置为应变计。

11.根据权利要求9所述的面内剪切性能测试方法，其特征在于，所述面内剪切性能测试方法适用于连续纤维、短切纤维、晶须和颗粒增强的陶瓷基复合材料的测试。

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