專利名稱：無預(yù)制裂紋的材料斷裂韌性測試試樣的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及的是工程材料常規(guī)斷裂韌性的測試試樣，尤其是 一種無預(yù)制裂紋的材料斷裂韌性測試試樣。
背景技術(shù)：
根據(jù)斷裂力學(xué)理論，只要試樣的幾何尺度足夠大，就能保證裂紋 前沿處于理想的平面應(yīng)變狀態(tài)，就應(yīng)該能測試出該材料的斷裂韌性 L值。但事實上，對于那些強度較低的材料，保障裂紋前沿處于平面 應(yīng)變狀態(tài)所需的試樣尺度過于厚大，因此要求材料試驗機的動力規(guī)模 也就過大，實際上是無法在目前通行的材料試驗機上獲取它們的斷裂 韌性值的。當(dāng)前測試方法的這種局限性是由于測試方法本身的局限性 帶來的。從某種意義上說，當(dāng)今的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計，是建立在采用過于 寬松的抗斷裂安全系數(shù)的基礎(chǔ)之上才得以支撐的，實際上是付出了巨 大的材料和動力浪費的。如果能更加精確地、更為廣泛地測定用來制 造工程構(gòu)件材料的斷裂韌性值，就可以使得材料的斷裂韌性參數(shù)與它 們的其它機械性能參數(shù)更好的配合起來，大大合理化工程結(jié)構(gòu)設(shè)計。
傳統(tǒng)的斷裂韌性測試方法及派生出來的測試試樣無法將屬于外 在因素的試樣幾何形態(tài)與屬于內(nèi)在因素的材料力學(xué)特性作行之有效 的區(qū)割，導(dǎo)致試樣尺度規(guī)模要求的材料試驗機動力規(guī)模的過大，因此 大大限制了可測試材料的范疇。再從斷裂韌性試樣本身的制備方法上 看?，F(xiàn)有的材料斷裂韌性測試(為獲取材料的L值和Jk僮而采用的 三點彎曲試樣和緊湊拉伸試樣)，都需要首先在試樣中制造出一個宏 觀裂紋。由于預(yù)制裂紋的過程十分繁復(fù)，做出的裂紋狀況對隨后的測 試結(jié)果影響非常敏感。因此，除了上面談到的，由于試樣尺度的原因 造成的對低強度材料的不可測試性外，即使是對于可以測試的那些高 強度材料，也很容易出現(xiàn)由于裂紋制作過程中難以控制的不確定性導(dǎo) 致的測試數(shù)據(jù)的分散，降低了數(shù)據(jù)的可信程度。

實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的是針對上述試樣存在的缺陷，提供一種可以從 兩個方面同時改進當(dāng)前材料斷裂韌性測試技術(shù)中的困難，同時也無需 在試樣上預(yù)制裂紋的材料斷裂韌性測試試樣。本實用新型無預(yù)制裂紋 的材料斷裂韌性測試試樣，其特征在于它是由表面光滑的待測材料 試樣本體和復(fù)合在其光滑表面上的一層已知其機械性能參數(shù)的、具有 較高彈性模量的、可以在加載過程中首先開裂的脆性薄層構(gòu)成。 所述脆性薄層是金屬陶瓷薄片或粉末冶金薄片。 所述脆性薄片通過粘合劑粘貼在待測材料試樣本體光滑表面。 所采用的粘結(jié)劑應(yīng)該能保障當(dāng)試樣在加載并在脆性層上引發(fā)裂 紋的全部過程中不會發(fā)生脆性層相對基體之間的滑動和剝離。
所述粘合劑是502膠水。本實用新型無預(yù)制裂紋的材料斷裂韌性
測試試樣的設(shè)計原理是在待測材料試樣本體表面復(fù)合上一層脆性薄 層。利用試樣在彎曲加載過程中脆性薄層的首先開裂之特性，直接在 待測構(gòu)件本體表面"制造出" 一個裂尖塑性區(qū)來。這樣就可以根據(jù)已
知的脆性薄層的機械性能參數(shù)、脆性薄層中所形成的裂紋的尺度和已 知的外載荷狀況，確定該裂紋對裂尖處材料的加載數(shù)據(jù)。通過測定在 這些己知條件下在待測材料表面上制造出這個裂尖塑性區(qū)所需的塑 性功，并通過合理的方法外推至使得材料在單向拉伸實驗中出現(xiàn)內(nèi)縮 頸時對應(yīng)的塑性功(根據(jù)塑性力學(xué)中的"單一曲線原理")，就可以確 定出該材料在裂尖塑性區(qū)內(nèi)萌生空穴時的臨界塑性功。這也就是待測 材料中裂紋尖端塑性區(qū)開始發(fā)生擴展時的臨界塑性能。
本實用新型無預(yù)制裂紋的材料斷裂韌性測試試樣設(shè)計科學(xué)，結(jié)構(gòu) 簡單，制作容易，它改進了材料斷裂韌性測試中對測試構(gòu)件尺度依賴 性的情形，同時該試樣實施簡單，因而可大大降低測試成本。由于待 測材料中的裂紋前沿是采用不同種類的脆性薄層間接地引入到待測 材料試樣本體表層中的，這就不再需要在被測試材料試樣體內(nèi)直接預(yù) 制裂紋。或者說，脆性薄層的實質(zhì)效果是將傳統(tǒng)中向試樣體內(nèi)延伸的 裂紋反過來等效地向虛空中延伸了。由于脆性薄層較薄，引起的裂尖 塑性區(qū)較小，因此這種通過脆性薄層引入裂紋并形成裂尖塑性區(qū)的方 法可以解決由于材料強度過低而致使試樣總體尺寸過大的問題。使得 任何種類的結(jié)構(gòu)材料都可以用來制成試樣的本體而實現(xiàn)對其進行斷 裂韌性的測試。也就是說，它的突出價值就在于使得原來采用現(xiàn)有斷 裂韌性測試試樣的三點彎曲試樣和緊湊拉伸試樣都無法測量的那些 結(jié)構(gòu)材料變得可以測試其斷裂韌性Ku;值了。
從所述的本實用新型無預(yù)制裂紋的材料斷裂韌性測試試樣的構(gòu) 成結(jié)構(gòu)和工作原理不難想見，采用本實用新型試樣，可以直接測試出 形成一個裂紋尖端塑性區(qū)的塑性變形功。這個塑性功的測試參數(shù)可以 根據(jù)現(xiàn)有斷裂力學(xué)理論計算公式很方便地換算為目前通用的材料斷 裂韌性的KK和Ju:參數(shù)值。同時還可以想見，采用本實用新型試樣， 對于越是屈服強度低的材料，它可獲得的測試信息量越大，因而測試 結(jié)果越準(zhǔn)確。因此它與目前通行的三點彎曲和緊湊拉伸試樣測試法在 技術(shù)上形成了一個絕佳的互補關(guān)系對于那些采用本實用新型試樣來 測試不夠靈敏的高強度材料，可以采用現(xiàn)行的試樣及其測試方法；而 對于用現(xiàn)行試樣測試誤差較大甚至無法實施的低強度材料，可以采用 本實用新型試樣及其測試方法。
本實用新型無預(yù)制裂紋的材料斷裂韌性測試試樣的具體結(jié)構(gòu)由 以下附圖和實施例給出。


圖1無預(yù)制裂紋的材料斷裂韌性測試試樣結(jié)構(gòu)示意圖。 具體實施方式
實施例從圖1可以清楚地看到無預(yù)制裂紋的材料斷裂韌性測試
試樣由待測材料試樣本體1和復(fù)合在其表面的一層TiC和TiN金屬陶 瓷脆性薄層2，脆性薄層2的厚度為lram。該脆性薄層2采用502膠
水粘貼在待測材料試樣本體1光滑表面。所述待測材料試樣本體1為
不銹鋼材料，其尺寸為50X10X6mm。
以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本實用新型所作的進一 步詳細說明，不能認定本實用新型的具體實施只局限于這些說明。對 于本實用新型所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新 型構(gòu)思的前提下，其架構(gòu)形式能夠靈活多變，如果只是做出若干簡單 推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本實用新型由所提交的權(quán)利要求書確定 的專利保護范圍。
權(quán)利要求1.一種無預(yù)制裂紋的材料斷裂韌性測試試樣，其特征在于它是由表面光滑的待測材料試樣本體和復(fù)合在其光滑表面上的一層已知其機械性能參數(shù)的、具有較高彈性模量的、可以在加載過程中首先開裂的脆性薄層構(gòu)成。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無預(yù)制裂紋的材料斷裂韌性測試試樣， 其特征在于所述脆性薄層是金屬陶瓷薄片或粉末冶金薄片。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無預(yù)制裂紋的材料斷裂韌性測試 試樣，其特征在于所述脆性薄片通過粘合劑粘貼在待測材料試樣本 體光滑表面。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的無預(yù)制裂紋的材料斷裂韌性測試試樣， 其特征在于所述粘合劑是502膠水。
專利摘要一種無預(yù)制裂紋的材料斷裂韌性測試試樣，其特征在于它是由表面光滑的待測材料試樣本體和復(fù)合在其光滑表面上的一層已知其機械性能參數(shù)的、具有較高彈性模量的、可以在加載過程中首先開裂的脆性薄層構(gòu)成。本實用新型結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，它改進了材料斷裂韌性測試中對測試構(gòu)件尺度依賴性的情形，同時該試樣實施簡單，因而可大大降低測試成本。采用本實用新型試樣，可以直接測試出形成一個裂紋尖端塑性區(qū)的塑性變形功。這個塑性功的測試參數(shù)可以根據(jù)現(xiàn)有斷裂力學(xué)理論計算公式很方便地換算為目前通用的材料斷裂韌性的K_IC和J_IC參數(shù)值。
文檔編號G01N3/00GK201196613SQ20082009308
公開日2009年2月18日 申請日期2008年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月7日
發(fā)明者吳力航 申請人:吳力航