CN115824811A - 基于巴西劈裂的脆性材料拉伸动态全曲线测试装置及方法 - Google Patents

基于巴西劈裂的脆性材料拉伸动态全曲线测试装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于巴西劈裂的脆性材料拉伸动态全曲线测试装置及方法，装置包括一对加载端、第一引伸计和第二引伸计，一对加载端用于在试样的径向方向对称的向试样施加载荷；第一引伸计用于测量加载端的竖向位移量；第二引伸计用于测量试样变形时的横向位移量，利用第二引伸计实时测量试样变形时的横向位移量，以获得试样拉伸动态全曲线，利用第一引伸计测量加载端的竖向位移量，根据竖向位移量控制加载端的加载速度，以防止试样在试验过程中产生脆断。本发明采用第一引伸计测量加载端的竖向位移量，根据竖向位移量控制所述加载端的加载速度，能够有效避免试样在达到峰值荷载后产生脆断，从而得到试样从起裂到整体破坏的全过程。

Description

基于巴西劈裂的脆性材料拉伸动态全曲线测试装置及方法
技术领域
本发明涉及材料测试技术领域，尤其是指一种基于巴西劈裂的脆性材料拉伸动态全曲线测试装置及方法。
背景技术
岩石材料在水利工程中有极为广泛的应用，输水隧洞和大坝坝基等都由岩石组成，材料抗拉强度较低是导致岩石开裂的主要原因，岩石体裂缝的产生会导致渗漏的问题，从而降低结构稳定，最终影响工程的正常运行。因此，测试岩石拉伸状态下的应力-应变全曲线，获取其开裂全过程，对岩石的拉伸性能及开裂机理进行深入研究极为重要。
目前主要通过直接拉伸试验和间接拉伸试验测试岩石拉伸性能，但直接拉伸试验存在偏心受力、试样端部应力集中和裂缝位置不确定等问题，通过间接试验获取岩石的拉伸性能能较好避免上述问题。巴西劈裂试验是常用的一种间接拉伸试验方法，但目前巴西劈裂试验仍局限在超过峰值荷载即发生脆断，其无法得到峰值荷载后裂缝扩展过程和应力-应变全曲线，因而无法反映微裂纹产生之后材料应力-应变软化响应特征。因此，迫切需要提出一种以克服现有技术存在的上述技术缺陷。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中存在的技术缺陷，而提出一种测量脆性材料拉伸应力-应变全曲线的装置及方法，其采用第一引伸计测量加载端的竖向位移量，根据竖向位移量控制所述加载端的加载速度，能够有效避免试样在达到峰值荷载后产生脆断，从而得到试样从起裂到整体破坏的全过程，获取在拉伸荷载下脆性材料的应力-应变全曲线。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于巴西劈裂的脆性材料拉伸动态全曲线测试装置，包括：
一对加载端，其用于在试样的径向方向对称的向试样施加载荷；
第一引伸计，其设置于所述一对加载端之间，所述第一引伸计用于测量加载端的竖向位移量；
第二引伸计，其位于所述试样过圆心的一条直线上，所述第二引伸计用于测量所述试样变形时的横向位移量，其中，该直线垂直于加载方向上的直线；
其中，利用第二引伸计实时测量所述试样变形时的横向位移量，以获得所述试样拉伸动态全曲线，其中，利用第一引伸计测量加载端的竖向位移量，根据竖向位移量控制所述加载端的加载速度，以防止所述试样在试验过程中产生脆断。
在本发明的一个实施例中，所述加载端面对所述试样的一面设置有凹槽。
在本发明的一个实施例中，所述凹槽为弧形。
在本发明的一个实施例中，还包括伸缩杆，所述伸缩杆设置于一对加载端之间，所述伸缩杆上设置有第一引伸计。
在本发明的一个实施例中，所述伸缩杆包括固定端。
在本发明的一个实施例中，还包括试验机控制终端，所述试验机控制终端连接所述第一引伸计。
在本发明的一个实施例中，所述第一引伸计的数量为至少两个，至少两个第一引伸计设置于试样的两侧。
在本发明的一个实施例中，还包括支架，所述支架位于所述试样过圆心的一条直线上，该直线垂直于加载方向上的直线，所述支架上设置有第二引伸计。
在本发明的一个实施例中，所述第二引伸计的数量为至少两个，至少两个第二引伸计设置于试样过圆心的一条直线的两侧，该直线垂直于加载方向上的直线。
此外，本发明还提供一种基于巴西劈裂的脆性材料拉伸动态全曲线测试方法，该方法通过如上述所述的基于巴西劈裂的脆性材料拉伸动态全曲线测试装置实现，方法包括：
在试样圆断面上确定通过圆心相互垂直的两条线，选取其中一条线，并在该条线的两侧安装第二引伸计，另一条线的两端点为与加载端接触的受荷点；
通过加载端在试样的径向方向对称的向试样施加载荷，在整个试验过程中，利用第二引伸计实时测量所述试样变形时的横向位移量，以获得所述试样拉伸动态全曲线，其中，利用第一引伸计测量加载端的竖向位移量，根据竖向位移量控制所述加载端的加载速度，以防止所述试样在试验过程中产生脆断。
在本发明的一个实施例中，所述试样拉伸动态全曲线包括试样在劈拉荷载下被破坏的应力-应变全曲线，其中所述应力-应变全曲线中的应力值由试验机控制终端记录，其应变值通过第二引伸计测得的横向位移量计算得到。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的一种基于巴西劈裂的脆性材料拉伸动态全曲线测试装置及方法，其采用第一引伸计测量加载端的竖向位移量，根据竖向位移量控制所述加载端的加载速度，能够有效避免试样在达到峰值荷载后产生脆断，从而得到试样从起裂到整体破坏的全过程，获取在拉伸荷载下脆性材料的应力-应变全曲线。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例提出的一种基于巴西劈裂的脆性材料拉伸动态全曲线测试装置的结构示意图。
图2是图1上A-A的剖面示意图。
其中，附图标记说明如下：1、试样；2、加载端；3、支架；4、第二引伸计；5、伸缩杆；6、固定端；7、第一引伸计。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参照图1和图2所示，本发明实施例提供一种基于巴西劈裂的脆性材料拉伸动态全曲线测试装置，包括一对加载端2、第一引伸计7和第二引伸计4，一对加载端2用于在试样1的径向方向对称的向试样1施加载荷；第一引伸计7设置于所述一对加载端2之间，所述第一引伸计7用于测量加载端2的竖向位移量；第二引伸计4位于所述试样1过圆心的一条直线上，所述第二引伸计4用于测量所述试样1变形时的横向位移量，其中，该直线垂直于加载方向上的直线；利用第二引伸计4实时测量所述试样1变形时的横向位移量，以获得所述试样1拉伸动态全曲线，其中，利用第一引伸计7测量加载端2的竖向位移量，根据竖向位移量控制所述加载端2的加载速度，以防止所述试样1在试验过程中产生脆断。
本发明所述的一种基于巴西劈裂的脆性材料拉伸动态全曲线测试装置，其采用第一引伸计7测量加载端2的竖向位移量，根据竖向位移量控制所述加载端2的加载速度，能够有效避免试样1在达到峰值荷载后产生脆断，从而得到试样1从起裂到整体破坏的全过程，获取在拉伸荷载下脆性材料的应力-应变全曲线。
其中，上述基于巴西劈裂的脆性材料拉伸动态全曲线测试装置还包括伸缩杆5和试验机控制终端，所述伸缩杆5具有固定端6，所述伸缩杆5通过固定端6设置于一对加载端2之间，所述伸缩杆5上设置有第一引伸计7，所述第一引伸计7连接所述试验机控制终端。
上述通过第一引伸计7测量加载端2的竖向位移量，并将竖向位移量发送至试验机控制终端，由试验机控制终端根据竖向位移量控制加载端2的加载速率，当然，加载端2的加载荷载也由试验机控制终端控制并记录。
进一步地，所述第一引伸计7的数量为至少两个，至少两个第一引伸计7设置于试样1的两侧，即在试样1加载方向的左右两侧各固定1个第一引伸计7，用于获取竖向位移量，实现用位移控制加载。
其中，上述基于巴西劈裂的脆性材料拉伸动态全曲线测试装置还包括支架3，所述支架3位于所述试样1过圆心的一条直线上，该直线垂直于加载方向上的直线，所述支架3上设置有第二引伸计4。作为示例地，可以在试样1前后两端各固定2个钢制的Z字形的支架3，2个钢制的Z字形的支架3应固定于垂直于加载方向且连线为试样1直径，支架3应固定在同一水平高度，且固定好的支架3之间的开口距离应为6~8mm，便于安装第二引伸计4，第二引伸计4优选夹式引伸计，例如图2所示，钢制的Z字形的支架3与试样1两端相连，左右两个支架3与试样1连接点的连线为试样1的直径，第二引伸计4卡在支架3之间，用于测量试样1变形时的横向位移量。
进一步地，所述第二引伸计4的数量为至少两个，至少两个第二引伸计4设置于试样1过圆心的一条直线的两侧，该直线垂直于加载方向上的直线，通过至少两个第二引伸计4更准确的测量试样1变形时的横向位移量。
此外，所述加载端2面对所述试样1的一面设置有凹槽，所述凹槽优选弧形，弧形凹槽的设置使得试样1与加载端2之间的接触由点接触变为面接触，实现多角度的恒定线荷载加载。
相应于上述一种基于巴西劈裂的脆性材料拉伸动态全曲线测试装置的实施例，本发明实施例还提供一种基于巴西劈裂的脆性材料拉伸动态全曲线测试方法，该方法通过如上述所述的基于巴西劈裂的脆性材料拉伸动态全曲线测试装置实现，方法包括：
在试样1圆断面上确定通过圆心相互垂直的两条线，选取其中一条线，并在该条线的两侧安装第二引伸计4，另一条线的两端点为与加载端2接触的受荷点；
通过加载端2在试样1的径向方向对称的向试样1施加载荷，在整个试验过程中，利用第二引伸计4实时测量所述试样1变形时的横向位移量，以获得所述试样1拉伸动态全曲线，其中，利用第一引伸计7测量加载端2的竖向位移量，根据竖向位移量控制所述加载端2的加载速度，以防止所述试样1在试验过程中产生脆断。
本发明所述的一种基于巴西劈裂的脆性材料拉伸动态全曲线测试方法，其采用第一引伸计7测量加载端2的竖向位移量，根据竖向位移量控制所述加载端2的加载速度，能够有效避免试样1在达到峰值荷载后产生脆断，从而得到试样1从起裂到整体破坏的全过程，获取在拉伸荷载下脆性材料的应力-应变全曲线。
在本发明的一个实施例中，所述试样1拉伸动态全曲线包括试样1在劈拉荷载下被破坏的应力-应变全曲线，其中所述应力-应变全曲线中的应力值由试验机控制终端记录，其应变值通过第二引伸计4测得的横向位移量计算得到。
下面以一个具体的实施方式来详细阐述本发明提供的一种基于巴西劈裂的脆性材料拉伸动态全曲线测试方法的具体操作方法。
步骤一：制备标准巴西劈裂试样1待测试，本实施例选取的试样1的尺寸直径D为50mm，长度L为（25±2）mm；
步骤二：在试样1圆断面上确定通过圆心相互垂直的两条线，选取其中一条线两侧安装钢制的Z字形的支架3，另一条线两端点为与加载端2接触的受荷点, 试样1受荷点为支架3与试样1连接点的连线垂直的直径，以防止试样1承受偏心荷载；
步骤三：将试样1置于MTS试验机上进行对中，启动MTS试验机使加载端2与试样1接触，分别将第一引伸计7和第二引伸计4安装于伸缩杆5和支架3上，其中第一引伸计7与MTS试验机控制终端闭环连接；
步骤四：通过MTS试验机控制终端设置位移加载速率，对试样1施加竖向下压荷载，直至试样1破坏，记录第二引伸计4的测量结果，获取试样1在劈拉荷载下破坏全过程的应力-应变全曲线，并通过公式（1）-（4）分别计算试样1的第一主应变、第二主应变、弹性模量及泊松比，其中第一主应变即为应力-应变全曲线中的应变值，所述应力-应变全曲线中的应力值即为MTS试验机施加的载荷：
Figure 386748DEST_PATH_IMAGE001
(1)
Figure 159532DEST_PATH_IMAGE002
(2)
Figure 575601DEST_PATH_IMAGE003
(3)
Figure 750230DEST_PATH_IMAGE004
(4)
其中，
Figure 365075DEST_PATH_IMAGE005
为试样1横向位移量，
Figure 500521DEST_PATH_IMAGE006
为试样1纵向位移量，
Figure 110494DEST_PATH_IMAGE007
为试样1的直径，
Figure 264264DEST_PATH_IMAGE008
为试样1的第一主应变，
Figure 567069DEST_PATH_IMAGE009
为试样1的第二主应变，
Figure 658653DEST_PATH_IMAGE010
为圆周率，
Figure 72317DEST_PATH_IMAGE011
为巴西劈裂峰值荷载值，
Figure 80593DEST_PATH_IMAGE012
为拉伸模量，
Figure 554299DEST_PATH_IMAGE013
为泊松比。
本实施例的一种基于巴西劈裂的脆性材料拉伸动态全曲线测试方法基于前述的一种基于巴西劈裂的脆性材料拉伸动态全曲线测试装置实现，因此该方法的具体实施方式可见前文中的一种基于巴西劈裂的脆性材料拉伸动态全曲线测试装置的实施例部分，所以，其具体实施方式可以参照相应的各个部分实施例的描述，在此不再展开介绍。
另外，由于本实施例的一种基于巴西劈裂的脆性材料拉伸动态全曲线测试方法基于前述的一种基于巴西劈裂的脆性材料拉伸动态全曲线测试装置实现，因此其作用与上述装置的作用相对应，这里不再赘述。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种基于巴西劈裂的脆性材料拉伸动态全曲线测试装置，其特征在于：包括：
一对加载端，其用于在试样的径向方向对称的向试样施加载荷；
第一引伸计，其设置于所述一对加载端之间，所述第一引伸计用于测量加载端的竖向位移量；
第二引伸计，其位于所述试样过圆心的一条直线上，所述第二引伸计用于测量所述试样变形时的横向位移量，其中，该直线垂直于加载方向上的直线；
其中，利用第二引伸计实时测量所述试样变形时的横向位移量，以获得所述试样拉伸动态全曲线，其中，利用第一引伸计测量加载端的竖向位移量，根据竖向位移量控制所述加载端的加载速度，以防止所述试样在试验过程中产生脆断。
2.根据权利要求1所述的基于巴西劈裂的脆性材料拉伸动态全曲线测试装置，其特征在于：所述加载端面对所述试样的一面设置有凹槽。
3.根据权利要求2所述的基于巴西劈裂的脆性材料拉伸动态全曲线测试装置，其特征在于：所述凹槽为弧形。
4.根据权利要求1所述的基于巴西劈裂的脆性材料拉伸动态全曲线测试装置，其特征在于：还包括伸缩杆，所述伸缩杆设置于一对加载端之间，所述第一引伸计设置在所述伸缩杆上。
5.根据权利要求1或4所述的基于巴西劈裂的脆性材料拉伸动态全曲线测试装置，其特征在于：还包括试验机控制终端，所述试验机控制终端连接所述第一引伸计。
6.根据权利要求1或4所述的基于巴西劈裂的脆性材料拉伸动态全曲线测试装置，其特征在于：所述第一引伸计的数量为至少两个，至少两个第一引伸计设置于试样的两侧。
7.根据权利要求1所述的基于巴西劈裂的脆性材料拉伸动态全曲线测试装置，其特征在于：还包括支架，所述支架位于所述试样过圆心的一条直线上，该直线垂直于加载方向上的直线，所述第二引伸计设置在支架上。
8.根据权利要求1或7所述的基于巴西劈裂的脆性材料拉伸动态全曲线测试装置，其特征在于：所述第二引伸计的数量为至少两个，至少两个第二引伸计设置于试样过圆心的一条直线的两侧，该直线垂直于加载方向上的直线。
9.一种基于巴西劈裂的脆性材料拉伸动态全曲线测试方法，其特征在于：该方法通过如权利要求1-8任一项所述的基于巴西劈裂的脆性材料拉伸动态全曲线测试装置实现，方法包括：
在试样圆断面上确定通过圆心相互垂直的两条线，选取其中一条线，并在该条线的两侧安装第二引伸计，另一条线的两端点为与加载端接触的受荷点；
通过加载端在试样的径向方向对称的向试样施加载荷，在整个试验过程中，利用第二引伸计实时测量所述试样变形时的横向位移量，以获得所述试样拉伸动态全曲线，其中，利用第一引伸计测量加载端的竖向位移量，根据竖向位移量控制所述加载端的加载速度，以防止所述试样在试验过程中产生脆断。
10.根据权利要求9所述的基于巴西劈裂的脆性材料拉伸动态全曲线测试方法，其特征在于：所述试样拉伸动态全曲线包括试样在劈拉荷载下被破坏的应力-应变全曲线，其中所述应力-应变全曲线中的应力值由试验机控制终端记录，其应变值通过第二引伸计测得的横向位移量计算得到。
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