CN1920521A - 一种小尺度片状样品三点弯曲力学性能测试方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种小尺度片状样品三点弯曲力学性能测试的方法和装置。该方法：将已经预制有微裂纹的表面沉积有薄膜片状样品放置在样品台上，首先采用力控制方式，使压头与样品的上表面接触，随后调整为测试条件，防止接触瞬间大载荷作用；将预制有微裂纹的片状样品上的两个电极与电位采集系统相连接，逐步增加载荷，记录加载过程中最大载荷，在微裂纹开裂瞬间监控电位变化，转换电位与时间数据为速度与时间关系。该装置由三点弯曲样品台、样品台支撑系统、冷却系统、加热系统、加载系统、测试系统组成。本发明直接安装小尺度片状样品在测试装置上，进行片状样品的三点弯曲实验，也可以进行已经预制微裂纹片状样品的临界应力强度因子测试。

Description

一种小尺度片状样品三点弯曲力学性能测试方法和装置

技术领域

本发明属于一种小尺度片状样品三点弯曲力学性能测试的方法及其装置，包括应用于表面制备有薄膜材料片状样品的力学性能测试以及预制有微裂纹脆性材料高速开裂速度测试实验研究领域。

背景技术

目前，在国内外的材料的小尺度片状样品脆韧性转变、裂纹尖端位错发射行为以及预制有微裂纹的脆性材料高速开裂行为的研究中，前者一般采用纳米压痕和块体材料的等轴拉伸等方法，而后者研究中通常将样品固定在硬质弹性框架上，再通过力学测量系统对框架加载实现大尺度或者块体材料在微变形的情况下实现裂纹高速开裂。但随着当今科学技术的发展，各方面对不同材料的相关实验展开，包括高分子材料、单晶材料、多晶材料、薄膜材料以及非晶材料，对小尺度样品裂纹开裂行为研究提出越来越高的要求，同时要求样品测试过程中避免更多的外来干扰，因为在裂纹尖端和裂纹高速开裂行为研究中关注的主要问题是材料本征结构和能量耗散之间的关系，虽然目前已经有大量相关工作开展，包括采用分子动力学模拟和有限元模拟方法对裂纹尖端的运动和裂纹尖端能量变化进行分析，但控制裂纹高速开裂的动态机制仍然不为人们很好理解，在研究材料的尺度、温度效应和控制精度等方面需要深入开展下去，而在目前使用的方法中要求样品较大，无法实现小尺度样品高速裂纹开裂研究，而通过固定在框架上方法更使在温度场中的研究无法进行。本发明中小尺度样品规格为：(16～20)mm×(3～10)mm×(0.3～1)mm。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小尺度片状样品三点弯曲力学性能测试的方法及其装置，包括应用于表面制备有薄膜材料的力学性能测试以及片状脆性材料裂纹高速开裂速度测试实验研究方面，可以很好的避免加载框架对信号采集的影响同时可以实现在低于1200摄氏度温度场中展开小尺度片状样品的相关实验。

本发明的技术方案是：

一种小尺度片状样品三点弯曲力学性能测试方法，其特征在于具体步骤如下：

1)首先将片状样品安装到样品台的样品台支撑点上，将片状样品中间预制的微裂纹保持在两个样品台支撑点的中间，使其上方与加载系统的力传动杆相对应，保证力传动杆的载荷作用在裂纹尖端的正上方；

2)调整限位螺栓，保持片状样品的垂直；同时控制限位螺栓与片状样品之间的作用力，使限位螺栓尖端与片状材料接触；

3)对力传动杆采用力控制方式，使压头与片状样品的上表面接触；

4)连接导线与片状样品表面薄膜上预制的两个电极，使其与电位采集系统相连接；

5)改变控制方式使之与测试条件匹配；

6)安装热电偶在片状样品的上下表面，同时调整电阻丝加热炉的高度，保证片状样品在电阻丝加热炉的均热带内；

7)关合电阻丝加热炉，运行加载系统，直至片状样品断裂，记录断裂瞬间载荷和电极两端电压变化。

所述片状样品为非标准样品，在所述步骤7)中计算临界应力强度因子K_c时，采用如下公式：

$K_c=f\left(\frac{a}{w}\right)\frac{3\mathrm{PL}}{{\mathrm{Bw}}^2}\sqrt{\mathrm{\πa}}$

其中a为裂纹长度，P为压头载荷，w为试样的高度，B为试样厚度，L为样品台支撑点跨距，

为形状修正函数。

一种小尺度片状样品三点弯曲力学性能测试装置，具有样品台、样品台支撑系统、冷却系统、加热系统、加载系统、测试系统，所述样品台为三点弯曲样品台，三点弯曲样品台由高温合金加工而成，上面加工有放置片状样品的窄缝、两个样品支撑点和样品支撑点外侧的样品限位点，样品台与垂直放置的片状样品相对应的面上装有限位螺栓，限位螺栓调整片状样品的垂直位置。

本发明的有益效果是：

1、本发明直接安装小尺度片状样品在测试装置上，进行片状样品的三点弯曲实验，也可以进行已经预制微裂纹片状样品的临界应力强度因子测试。

2、本发明平行放置表面制备有薄膜材料片状样品，直接进行力学性能测试，研究薄膜材料和基体材料的结合强度。

3、本发明在样品台及加载压头上镀有纳米陶瓷膜，防止样品台和样品之间发生导电，避免在高速裂纹开裂测试过程中干扰采集信号。

4、本发明可以在低于300摄氏度的温度环境中进行相关实验。

附图说明

图1为本发明测试装置示意图。

图2为本发明图1中样品台示意图。

图3为图2的侧视图。

图中标记说明：

1-1-力传动杆，1-2-压头，1-3-片状样品，1-4-循环冷却水，1-5-样品台支撑点，1-6-压力传感器，1-7-热电偶，1-8-电阻丝加热炉，1-9-温度控制柜，1-10-电位差计，1-11-样品台支撑杆，1-12-电极，1-13-样品台；2-1-样品支撑点，2-2-限位螺栓，2-3-样品限位点。

图4为在不同加载速率下临界应力强度因子随温度变化曲线。

图5为预制有微裂纹样品上电压随裂纹启动开裂时间变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

如图1～3所示，本发明所述的小尺度片状样品三点弯曲力学性能测试装置，具有样品台、样品台支撑系统、冷却系统、加热系统、加载系统、测试系统组成，所述样品台为三点弯曲样品台，三点弯曲样品台由高温合金加工而成，上面加工有放置片状样品1-3的窄缝、两个样品支撑点2-1和样品支撑点2-1外侧的样品限位点2-3，样品台1-13与垂直放置的片状样品1-3相对应的面上装有限位螺栓2-2，限位螺栓2-2调整片状样品1-3的垂直位置。所述样品台支撑系统包括样品台支撑点1-5以及其上设置的样品台支撑杆1-11，三点弯曲样品台安装于样品台支撑杆1-11上，样品台支撑点1-5下面设有压力传感器1-6；所述加载系统包括力传动杆1-1以及其下面连接的压头1-2，压头1-2与片状样品1-3接触；所述冷却系统为环绕于力传动杆1-1和样品台支撑点1-5外侧的循环冷却水1-4；所述加热系统包括电阻丝加热炉1-8、热电偶1-7以及与电阻丝加热炉1-8相连的温度控制柜1-9，本发明加热系统采用双电偶监控方式；所述测试系统包括电位差计1-10、安装于片状样品1-3上的电极1-12，电极1-12通过电位采集系统与电位差计1-10相连。

本发明所述的小尺度片状样品三点弯曲力学性能测试方法，具体由以下实验步骤完成。在临界应力强度因子测试和高速裂纹开裂测试中：

1.1首先将片状样品1-3安装到样品台1-13的样品台支撑点1-5上，同时要保持片状样品1-3的平整性，将片状样品1-3中间预制的微裂纹保持在两个样品台支撑点1-5的中间，使其上方与加载系统的力传动杆1-1相对应，保证力传动杆1-1的载荷作用在裂纹尖端的正上方，保证测试数据的准确性。

1.2随后调整限位螺栓2-2，保持片状样品的垂直摆放；同时适度控制限位螺栓2-2与片状样品1-3之间的作用力，使限位螺栓尖端与片状材料轻轻接触，防止其间作用力干扰力传动杆1-1所加载荷，进而避免影响测试结果；

1.3对力传动杆1-1采用力控制方式，使压头1-2与片状样品1-3的上表面轻轻接触，避免位移控制接触瞬间大载荷破坏样品和压力传感器1-6；

1.4连接导线与片状样品1-3表面薄膜上预制的两个电极1-12，使其与电位采集系统相连接。

1.5改变控制方式，采用位移控制使之与测试条件匹配。

1.6安装热电偶1-7在片状样品1-3的上下表面，同时调整电阻丝加热炉1-8的高度，保证片状样品1-3在电阻丝加热炉1-8的均热带内，在研究脆韧性转和变裂纹速度研究试验中温度范围可为100～1200℃，但是在应变测量试验中温度需低于300℃，安装加热装置是研究温度的效应，而且是力学性能研究中一个重要指标。

1.7关合电阻丝加热炉1-8，使电阻丝加热炉1-8进入工作状态，运行加载系统，通过位移控制逐步增加载荷(增加速度为4微米/秒、8微米/秒、16微米/秒)，直至加载片状样品1-3断裂，记录加载过程中最大载荷，记录断裂瞬间载荷和电极1-12两端电压变化，转换电位与时间数据为速度与时间关系。

在上述1.7中记录了加载过程中最大载荷，但不能反应片状样品裂纹特征，因为在本发明中采用的是非标准样品，需要根据公式进行转换，所以在计算临界应力强度因子K_c时，对标准公式进行了处理，得到如下公式：

$K_c=f\left(\frac{a}{w}\right)\frac{3\mathrm{PL}}{{\mathrm{Bw}}^2}\sqrt{\mathrm{\πa}}$

其中a为裂纹长度，P为压头1-2载荷，w为试样的高度，B为试样厚度，L为样品台支撑点1-5跨距，

为形状修正函数。

在图4中给出了在不同加载速率(4微米/秒、8微米/秒、16微米/秒)的情况下单晶硅片状样品的临界应力强度因子(K_c)随温度(T)的变化曲线。由图4可以看出，在低于脆韧性转变温度阶段，属于脆性开裂阶段，在这个阶段内随着温度升高，临界应力强度因子K_c基本不变，随着温度继续升高，在一个较小温度区间变，临界应力强度因子K_c大幅升高，实现脆韧性转变。

在图5中给出了预制有微裂纹的片状样品在高速开裂过程中电位随开裂时间的变化曲线。由图5可以看到，通过本方法及其装置有效的记录了在10^-6秒时间内裂纹开裂的电位动态变化过程，为高速裂纹速度分析提供了可靠数据。

Claims (3)

1.一种小尺度片状样品三点弯曲力学性能测试方法，其特征在于具体步骤如下：

1)首先将片状样品(1-3)安装到样品台(1-13)的样品台支撑点(1-5)上，将片状样品(1-3)中间预制的微裂纹保持在两个样品台支撑点(1-5)的中间，使其上方与加载系统的力传动杆(1-1)相对应，保证力传动杆(1-1)的载荷作用在裂纹尖端的正上方；

2)调整限位螺栓(2-2)，保持片状样品的垂直；同时控制限位螺栓(2-2)与片状样品(1-3)之间的作用力，使限位螺栓尖端与片状材料接触；

3)对力传动杆(1-1)采用力控制方式，使压头(1-2)与片状样品(1-3)的上表面接触；

4)连接导线与片状样品(1-3)表面薄膜上预制的两个电极(1-12)，使其与电位采集系统相连接；

5)改变控制方式使之与测试条件匹配；

6)安装热电偶(1-7)在片状样品(1-3)的上下表面，同时调整电阻丝加热炉(1-8)的高度，保证片状样品(1-3)在电阻丝加热炉(1-8)的均热带内；

7)关合电阻丝加热炉(1-8)，运行加载系统，直至片状样品(1-3)断裂，记录断裂瞬间载荷和电极(1-12)两端电压变化。

2、按照权利要求1所述的测试方法，其特征在于片状样品为非标准样品，在所述步骤7)中计算临界应力强度因子K_c时，采用如下公式：

$K_c=f\left(\frac{a}{w}\right)\frac{2\mathrm{PL}}{{\mathrm{Bw}}^2}\sqrt{\mathrm{\πa}}$

其中a为裂纹长度，P为压头(1-2)载荷，w为试样的高度，B为试样厚度，L为样品台支撑点(1-5)跨距，

为形状修正函数。

3、一种小尺度片状样品三点弯曲力学性能测试装置，具有样品台、样品台支撑系统、冷却系统、加热系统、加载系统、测试系统，其特征在于：所述样品台为三点弯曲样品台，三点弯曲样品台由高温合金加工而成，上面加工有放置片状样品(1-3)的窄缝、两个样品支撑点(2-1)和样品支撑点(2-1)外侧的样品限位点(2-3)，样品台(1-13)与垂直放置的片状样品(1-3)相对应的面上装有限位螺栓(2-2)，限位螺栓(2-2)调整片状样品(1-3)的垂直位置。

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