CN116399694A - 一种直接拉伸脆性固体材料长期寿命评价方法 - Google Patents

一种直接拉伸脆性固体材料长期寿命评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种直接拉伸脆性固体材料长期寿命评价方法，本发明通过测取试样从初始状态到最终断裂破坏状态期间的完整拉应变与时间关系曲线，并通过断裂力学理论，建立一种能够评价直接拉伸恒定荷载作用下，脆性固体材料拉应变与时间关系的理论方程；对比分析试验与理论拉应变与时间关系曲线，确定理论方程中的材料常数，可以进一步评价预测不同材料或不同拉伸荷载作用下，直接拉伸恒定荷载下脆性固体材料的断裂破坏时间，该发明为脆性固体材料工程的长期安全评价提供了一定的理论支撑。

Description

一种直接拉伸脆性固体材料长期寿命评价方法
技术领域
本发明涉及固体力学工程技术领域，尤其涉及一种直接拉伸脆性固体材料长期寿命评价方法。
背景技术
脆性固体材料是不同的工程领域如土木工程、航天工程以及交通工程等广泛应用的材料，具体脆性固体材料包含玻璃、陶瓷、混凝土、岩石等，对工程固体材料的长期安全稳定性评价具有重要价值,其中，外部荷载对这些工程结构的长期安全稳定性构成重要影响因素，外部载荷指的是一个来自外界的约束外力与外部力，通过外部载荷可以测量运输工具的装载能力，或材料、结构的承载能力,其中拉伸荷载是一种至关重要的荷载形式。
脆性固体材料的直接拉伸恒定荷载作用下，变形随时间演化力学特性，此外，脆性固体材料内部往往存在大量的初始微裂隙，这些微裂隙对脆性固体材料的直接拉伸作用下的长期寿命有着重要影响。然而，目前能够通过理论预测拉伸荷载下脆性固体的长期寿命的方法很少。因此，如何建立一种直接拉伸脆性固体材料长期寿命的评价方法具有重要的工程实践价值，需要一种直接拉伸脆性固体材料长期寿命评价方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术问题而提出的一种直接拉伸脆性固体材料长期寿命评价方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
A、基于拉伸试验，测取砂岩脆性固体材料的拉伸应力σ1与拉伸应变ε1关系曲线，确定脆性固体材料拉伸强度σ1s；
B、基于直接拉伸流变试验并设置拉伸荷载，所述拉伸荷载的强度为0.8σ1s-1σ1s，测取脆性固体材料的轴向应变与时间演化关系曲线；
C、基于CT扫描技术，确定其内部微裂隙的数量，进而确定脆性固体材料的初始损伤状态参数Do，初始损伤取值大于0且小于1；
D、基于三点弯曲断裂力学试验确定断裂韧度参数KIC；
E、利用双扭亚临界裂纹扩展试验，通过所述断裂韧度参数KIC确定脆性固体材料的亚临界裂纹速率v与断裂强度因子KI关系曲线；
F、建立拉伸恒定荷载作用下，脆性固体材料内部微裂隙的增长长度速率v通过所述裂纹尖端应力强度因子确定翼型裂纹扩展长度l与轴向应力σ1之间的关系表达；
G通过脆性固体内部微裂隙裂纹增长长度l与拉伸应力值σ1之间的关系方程确定拉伸应力值σ1及微裂隙增长长度的初始值lo；
H、将所述微裂隙增长长度代入拉伸应变和微裂隙增长长度的关系方程及求解微分方程得到直接拉伸恒定荷载作用下拉伸应变与时间关系曲线；
J、通过所述直接拉伸恒定荷载作用下拉伸应变与时间关系曲线，可以计算得到轴向应变与时间关系曲线，将结果返回步骤B校验拉应变与时间关系曲线对比参数，进而确定模型中难以用实验直接确定的模型参数参数a，参数φ，参数NV。
进一步地，在步骤F中建立拉伸恒定荷载作用时，脆性固体材料内部微裂隙的增长长度速率v为：
Figure BDA0004119157660000031
Figure BDA0004119157660000032
A2＝π1/3(3/4NV)2/3-π(l+αa)2
Figure BDA0004119157660000033
其中方程中l是微裂隙增长长度，a是初始裂纹尺寸、φ是初始裂纹角度，NV为单位体积脆性固体材料内部微裂隙数量，β，εo，m是材料常数，
进一步地，在步骤H中所述直接拉伸恒定荷载作用下拉伸应变与时间关系曲线关系方程确定：
Figure BDA0004119157660000034
其中方程中A1，A2，A3为步骤F计算结果。
进一步地，在步骤J中确定直接拉伸恒定荷载作用下拉伸应变与时间关系方程为：
ε1(t)＝εo{-ln[1-(l(t)/a+1)3Do]}1/m
其中方程中εo，m是材料常数，
进一步地，在步骤E中，所述脆性固体材料的亚临界裂纹速率v与断裂强度因子KI关系曲线可以用方程v＝vo(KI/KIC)n描述，方程中vo是特征裂纹速率，n是应力侵蚀指数；
相比现有技术，本发明的有益效果为：
本发明通过测取试样从初始状态到最终断裂破坏状态期间的完整拉应变与时间关系曲线，并通过断裂力学理论，建立一种能够评价直接拉伸恒定荷载作用下，脆性固体材料拉应变与时间关系的理论方程；对比分析试验与理论拉应变与时间关系曲线，确定理论方程中的材料常数，可以进一步评价预测不同材料或不同拉伸荷载作用下，直接拉伸恒定荷载下脆性固体材料的断裂破坏时间，该发明为脆性固体材料工程的长期安全评价提供了一定的理论支撑。
附图说明
图1为直接拉伸分级恒定荷载作用下拉应变与时间关系试验测试曲线示意图；
图2为本发明提出的图直接拉伸分级恒定荷载作用下拉应变与时间关系理论计算曲线示意图；
图3直接拉伸分级恒定荷载作用下拉应变与时间关系的理论计算与试验测试结果对比曲线示意图；
具体实施方式
参照图1-3，下面选取砂岩脆性固体材料为例子，来验证该发明中理论方程的可靠性。
步骤一：选取砂岩脆性固体材料，通过拉伸试验机，可以测取砂岩脆性固体材料的拉伸应力σ1与拉伸应变ε1关系曲线，并确定拉伸强度σ1s。
步骤二：利用直接拉伸流变试验机，设置拉伸荷载为小于拉伸强度σ1s且大于80％σ1s的一个值，然后获取砂岩脆性固体材料的拉伸荷载方向上的拉应变与时间数据，然后绘制拉应变ε1与时间t之间的关系曲线(即ε1-t)。
步骤三、利用CT扫描技术，扫描砂岩脆性固体材料，确定其内部微裂隙的数量，进而确定砂岩脆性固体材料的初始损伤状态参数Do，初始损伤取值大于0且小于1。
步骤四：根据三点弯曲断裂力学试验确定断裂韧度参数KIC。
步骤五：利用双扭亚临界裂纹扩展试验，确定砂岩脆性固体材料的亚临界裂纹速率v与断裂强度因子KI关系曲线，该曲线可以用方程v＝vo(KI/KIC)n描述，方程中vo是特征裂纹速率，n是应力侵蚀指数。
步骤六：利用固体断裂力学理论，建立拉伸恒定荷载作用下，砂岩脆性固体材料内部微裂隙的增长长度速率v为：
Figure BDA0004119157660000051
Figure BDA0004119157660000052
A2＝π1/3(3/4NV)2/3-π(l+αa)2
Figure BDA0004119157660000053
其中方程中l是微裂隙增长长度，a是初始裂纹尺寸、
Figure BDA0004119157660000054
是初始裂纹角度，NV为单位体积砂岩脆性固体材料内部微裂隙数量，β，εo，m是材料常数。参数KIC可以通过步骤4确定，参数vo、n可以通过步骤5确定。
步骤七：砂岩脆性固体内部微裂隙增长长度l与时间t关系，可以通过求解步骤6微分方程确定。此外，求解步骤6微裂隙增长长度l的微分方程中，微分方程中拉伸应力值σ1及微裂隙增长长度的初始值lo，需要通过下面砂岩脆性固体内部微裂隙裂纹增长长度l与拉伸应力σ1之间的关系方程确定。
Figure BDA0004119157660000061
步骤八：将步骤7中，微裂隙增长长度l与时间t关系，即l(t)，代入下面拉伸应变和微裂隙增长长度的关系方程，可以确定直接拉伸恒定荷载作用下拉伸应变与时间关系方程为：
ε1(t)＝εo{-ln[1-(l(t)/a+1)3Do]}1/m
其中方程中εo，m是材料常数，参数Do可以通过步骤3确定。
参数εo可以通过步骤1中的拉应力与拉应变关系曲线中拉应变的最大值确定；参数m一般选取值范围大于0小于3，具体值根据步骤8中的理论计算得到的拉应变与时间关系曲线，与步骤2中试验得到的拉应变与时间关系曲线对比分析确定；参数a具体取值一般小于4mm，具体值根据步骤8中的理论计算得到的拉应变与时间关系曲线，与步骤2中试验得到的拉应变与时间关系曲线对比分析确定；、参数NV与初始损伤存在关系为NV＝Do/a3，具体值结合步骤3确定的参数Do与确定的参数a，并结合步骤8中的理论计算得到的拉应变与时间关系曲线，与步骤2中试验得到的拉应变与时间关系曲线对比分析确定；参数
Figure BDA0004119157660000072
取值大于0且小于90，取值更接近于90，具体值根据步骤8中的理论计算得到的拉应变与时间关系曲线，与步骤2中试验得到的拉应变与时间关系曲线对比分析确定。
步骤九：确定了上述所有参数，根据步骤8确定直接拉伸荷载作用下砂岩脆性固体材料的拉应变与时间关系曲线，拉伸应变达到最大值时对应的时间，即为砂岩脆性固体材料的寿命。
表1给出了砂岩脆性固体材料的参数。图1、2、3分别给出了直接拉伸分级恒定荷载作用下拉应变与时间关系曲线的试验测试结果、理论计算结果、及理论与试验对比分析结果。图3的理论计算与实验测试结果曲线具有一定的可比性，进而验证了本发明方法的合理性。
表1砂岩脆性固体材料参数选取值
Figure BDA0004119157660000071
本发明通过采用直接拉伸流变力学试验仪器，将直接拉伸恒定荷载作用于脆性固体材料试样上，测取试样从初始状态到最终断裂破坏状态期间的完整拉应变与时间关系曲线，并通过断裂力学理论，建立一种能够评价直接拉伸恒定荷载作用下，脆性固体材料拉应变与时间关系的理论方程，对比分析试验与理论拉应变与时间关系曲线，确定理论方程中的材料常数，可以进一步评价预测不同材料或不同拉伸荷载作用下，直接拉伸恒定荷载下脆性固体材料的断裂破坏时间，上述理论与试验确定的拉应变与时间关系曲线的具体特征是拉应变随着时间先减速增大，然后是稳态增大，最终是加速增大，导致脆性固体材料断裂破坏，脆性固体材料从拉伸荷载施加时刻，到断裂破坏时刻，所经历的时间即为脆性固体材料承受拉伸荷载作用下的长期寿命，该发明为脆性固体材料工程的长期安全评价提供了一定的理论支撑。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种直接拉伸脆性固体材料长期寿命评价方法，其特征在于，
A、基于拉伸试验，测取砂岩脆性固体材料的拉伸应力σ1与拉伸应变ε1关系曲线，确定脆性固体材料拉伸强度σ1s；
B、基于直接拉伸流变试验并设置拉伸荷载，所述拉伸荷载的强度为0.8σ1s-1σ1s，测取脆性固体材料的轴向应变与时间演化关系曲线；
C、基于CT扫描技术，确定其内部微裂隙的数量，进而确定脆性固体材料的初始损伤状态参数Do，初始损伤取值大于0且小于1；
D、基于三点弯曲断裂力学试验确定断裂韧度参数KIC；
E、利用双扭亚临界裂纹扩展试验，通过所述断裂韧度参数KIC确定脆性固体材料的亚临界裂纹速率v与断裂强度因子KI关系曲线；
F、建立拉伸恒定荷载作用下，脆性固体材料内部微裂隙的增长长度速率v通过所述裂纹尖端应力强度因子确定翼型裂纹扩展长度l与轴向应力σ1之间的关系表达；
G通过脆性固体内部微裂隙裂纹增长长度l与拉伸应力值σ1之间的关系方程确定拉伸应力值σ1及微裂隙增长长度的初始值lo；
H、将所述微裂隙增长长度代入拉伸应变和微裂隙增长长度的关系方程及求解微分方程得到直接拉伸恒定荷载作用下拉伸应变与时间关系曲线；
J、通过所述直接拉伸恒定荷载作用下拉伸应变与时间关系曲线，可以计算得到轴向应变与时间关系曲线，将结果返回步骤B校验拉应变与时间关系曲线对比参数，进而确定模型中难以用实验直接确定的模型参数参数a，参数φ，参数NV。
2.根据权利要求1所述的一种直接拉伸脆性固体材料长期寿命评价方法，其特征在于，在步骤F中建立拉伸恒定荷载作用时，脆性固体材料内部微裂隙的增长长度速率v为：
Figure FDA0004119157650000021
Figure FDA0004119157650000022
A2＝π1/3(3/4NV)2/3-π(l+αa)2
Figure FDA0004119157650000023
其中方程中l是微裂隙增长长度，a是初始裂纹尺寸、φ是初始裂纹角度，NV为单位体积脆性固体材料内部微裂隙数量，β，εo，m是材料常数。
3.根据权利要求1所述的一种直接拉伸脆性固体材料长期寿命评价方法，其特征在于，在步骤H中所述直接拉伸恒定荷载作用下拉伸应变与时间关系曲线关系方程确定：
Figure FDA0004119157650000024
其中方程中A1，A2，A3为步骤F计算结果。
4.根据权利要求1所述的一种直接拉伸脆性固体材料长期寿命评价方法，其特征在于，在步骤J中确定直接拉伸恒定荷载作用下拉伸应变与时间关系方程为：
ε1(t)＝εo{-ln[1-(l(t)/a+1)3Do]}1/m
其中方程中εo，m是材料常数。
5.根据权利要求1所述的一种直接拉伸脆性固体材料长期寿命评价方法，其特征在于，在步骤E中，所述脆性固体材料的亚临界裂纹速率v与断裂强度因子KI关系曲线可以用方程v＝vo(KI/KIC)n描述，方程中vo是特征裂纹速率，n是应力侵蚀指数。
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