小尺寸構(gòu)件斷裂性能測試方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]斷裂性能是衡量構(gòu)件抵抗斷裂破壞行為的重要力學(xué)性能參量，在工程構(gòu)件的結(jié)構(gòu)完整性評定中起著至關(guān)重要的作用。對于含I型張開裂紋的結(jié)構(gòu)件，獲取其斷裂性能的傳統(tǒng)方法是采用緊湊拉伸或單邊裂紋彎曲等標(biāo)準(zhǔn)斷裂試樣通過拉伸或三點(diǎn)彎曲的加載方式進(jìn)行測試。由于試樣的構(gòu)形特征，該類標(biāo)準(zhǔn)斷裂試樣的尺寸通常較大，從而要求被測構(gòu)件的尺寸也相應(yīng)較大，由此才能有效測定構(gòu)件的斷裂性能。對于原始尺寸較小的構(gòu)件，目前尚無有效的斷裂性能檢測技術(shù)。
[0003]Williams JG.The fracture mechanics of surface layer removal.1nternat1nal Journal of Fracture, 2011, 170:37-48.基于機(jī)械加工中切削理論提出了以楔入加載方式測定低屈服應(yīng)力延性非金屬材料斷裂性能的切割法。如圖1所示，在該技術(shù)方案中，因切割工具可直接接觸到試樣的裂紋尖端而無需進(jìn)行疲勞裂紋預(yù)制，同時試樣尺寸也不受限制。但是，該技術(shù)方案僅適合于測定非金屬無裂紋構(gòu)件斷裂時的能量釋放率，無法應(yīng)用于含裂紋金屬構(gòu)件的斷裂性能測定。
[0004]在混凝土斷裂性能的檢測中，一種楔入劈拉(Wedge-SpIitting)法得到了廣泛應(yīng)用。Xiao JZ, Schneider H, Donnercke C，Konig G.Wedge splitting test onfracture behav1r of ultra high strength concrete.Construct1n and BuildingMaterials, 2004，18:359-365.圖2為典型的楔入劈拉法試驗(yàn)系統(tǒng)。該技術(shù)方案采用楔形加載板和帶滾軸的傳力板將施加的豎向載荷轉(zhuǎn)換為對試樣的水平拉力，一方面可以忽略試樣自重對斷裂性能測量結(jié)果的影響，另一方面僅需較小的豎向力便可產(chǎn)生較大的水平拉力，從而降低對試驗(yàn)機(jī)剛度的要求。然而，該技術(shù)方案因帶滾軸傳力板的設(shè)計(jì)不能用于小尺寸金屬構(gòu)件的斷裂性能檢測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的之一是提供一種實(shí)現(xiàn)小尺寸金屬構(gòu)件斷裂性能測試的裝置。
[0006]此發(fā)明目的是通過如下的手段實(shí)現(xiàn)的。
[0007]—種小尺寸構(gòu)件斷裂性能測試裝置，用于小尺寸金屬構(gòu)件的斷裂性能檢測，其特征在于，由加載頭100、傳力銷200、載荷轉(zhuǎn)換組件300、滑車400、抗彎拉板500和支承底座600六部分通過榫卯結(jié)構(gòu)和螺栓連接成剛性整體，從而構(gòu)成用于將加載頭100施加的豎向載荷轉(zhuǎn)換為橫向載荷并傳遞給C形試樣100的加載傳力機(jī)構(gòu)，并在載荷轉(zhuǎn)換組件300上設(shè)置通過加載頭100的抗彎拉板500以限制傳力銷200因受彎而產(chǎn)生橫向變形；
[0008]所述加載頭100兩側(cè)的楔形體101對稱布置，楔形體101上斜面的傾角相同?’傳力銷200為臺柱式結(jié)構(gòu)，上部為半圓柱與3/4圓柱式加載輥203的組合體；頂部榫頭201同抗拉拉板500連接，底部設(shè)梯形榫頭202和對稱布置的兩個通孔與滑車400剛性連接；加載輥203同C形環(huán)試樣的加載孔配合；
[0009]所述載荷轉(zhuǎn)換組件300為臺柱式結(jié)構(gòu)，頂部榫頭301同抗拉拉板500連接，底部設(shè)梯形榫頭302和對稱布置的兩個通孔與滑車400剛性連接，其上部沿與豎向成一定傾角的方向布置兩個相同規(guī)格的軸承303，軸承303中心連線的傾角與加載頭100中楔形體101的傾角保持一致；
[0010]所述滑車400左右兩側(cè)為分別與傳力銷200梯形榫頭201和載荷轉(zhuǎn)換組件300梯形榫頭301緊密配合的梯形開口和螺紋孔，滑車上對稱布置4個相同規(guī)格的滾動軸承401，以降低C形試樣700橫向加、卸載時的摩擦阻力；滑車在靠近載荷轉(zhuǎn)換組件連接的一側(cè)開設(shè)與梯形開口連通的方形孔402，以便加載頭100的楔形體101豎向通過；
[0011 ] 所述抗彎拉板500設(shè)置有與傳力銷200的頂部榫頭201和載荷轉(zhuǎn)換組件300的頂部榫頭301緊密配合的槽孔，同時設(shè)置有便于加載頭100的楔形體101豎向通過的方形孔；
[0012]所述支承底座600上的方形槽為加載頭100的楔形體101的豎向運(yùn)動預(yù)留空間，孔的寬度和深度綜合楔形體101的厚度、滑車400上4個滾動軸承的間距和C形環(huán)試樣張開量等因素設(shè)計(jì)確定。
[0013]本發(fā)明的另一目的是提供一種小尺寸金屬構(gòu)件斷裂性能測試的方法。采用以下的手段實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的。
[0014]小尺寸構(gòu)件斷裂性能測試方法，其特征在于，采用權(quán)利要求1或2的裝置進(jìn)行小尺寸金屬構(gòu)件的斷裂性能檢測，包括如下的步驟:
[0015](I)橫向載荷標(biāo)定
[0016]橫向載荷的標(biāo)定遵循以下步驟:
[0017]a)根據(jù)一對標(biāo)定器800的尺寸設(shè)計(jì)板狀拉伸試樣的尺寸規(guī)格，并選用已知彈性模量的金屬材料加工至少二對規(guī)格相同的板狀拉伸試樣，并將該兩個相同規(guī)格的拉伸試樣安裝在標(biāo)定器800上，同時分別在試樣上安裝應(yīng)變計(jì)；
[0018]b)將安裝好試樣的標(biāo)定器置于加載裝置中；
[0019]c)根據(jù)胡克定律計(jì)算板狀拉伸試樣的載荷并求和，即得橫向張開載荷；作出施加的豎向楔入載荷同橫向張開載荷之間的線性關(guān)系曲線，由此曲線確定豎向載荷同橫向張開載荷之間的轉(zhuǎn)換比；
[0020]d)另至少取一對相同規(guī)格的板狀拉伸試樣完成上述彈性加載，并獲得豎向載荷同橫向張開載荷之間的轉(zhuǎn)換比；對由多組彈性標(biāo)定得到的轉(zhuǎn)換比值取平均值，即得本測試系統(tǒng)的載荷轉(zhuǎn)換比；
[0021](2) C形環(huán)試樣斷裂測試
[0022]C形環(huán)試樣的斷裂測試遵循以下步驟:
[0023]a)將對稱布置的傳力銷200穿過C形環(huán)試樣700，傳力銷上的加載輥203與C形環(huán)試樣的加載孔701配合，在C形環(huán)試樣刀口 703位置處安裝監(jiān)測C形環(huán)試樣700在橫向張開過程中的位移值的位移傳感器；
[0024]b)記錄加載過程中加載頭100的豎向載荷F和C形環(huán)試樣700的水平張開位移V，由已標(biāo)定的載荷轉(zhuǎn)換比換算得到C形環(huán)試樣700的水平張開載荷Fh;
[0025]根據(jù)傳統(tǒng)的多試樣法、柔度法或載荷分離法等理論直接或間接獲得C形環(huán)試樣在加載過程中的實(shí)時裂紋長度a，進(jìn)而根據(jù)C形環(huán)試樣的(FH，V，a)實(shí)驗(yàn)記錄求得被測金屬材料的應(yīng)力強(qiáng)度因子K、J積分、CTOD和疲勞裂紋擴(kuò)展速率等斷裂性能。
[0026]采用本發(fā)明的裝置和方法，可以方便地實(shí)現(xiàn)小尺寸金屬構(gòu)件的斷裂性能測試，特別地，可實(shí)現(xiàn)C形環(huán)試樣的彈性循環(huán)加載，效果理想。本發(fā)明原理清晰，結(jié)構(gòu)簡單，制作方便。本發(fā)明若用于大尺寸金屬構(gòu)件的斷裂性能測試，可以達(dá)到節(jié)省試驗(yàn)材料降低實(shí)驗(yàn)成本的效果。
【附圖說明】
[0027]圖1為現(xiàn)有技術(shù)切割法示意圖
[0028]圖2為現(xiàn)有技術(shù)楔入劈拉法示意圖
[0029]圖3本發(fā)明C形環(huán)試樣結(jié)構(gòu)圖
[0030]圖4本發(fā)明加載頭結(jié)構(gòu)圖
[0031]圖5本發(fā)明加載頭結(jié)構(gòu)圖
[0032]圖6本發(fā)明載荷轉(zhuǎn)換組件結(jié)構(gòu)圖
[0033]圖7本發(fā)明滑車結(jié)構(gòu)圖
[0034]圖8本發(fā)明抗彎拉板結(jié)構(gòu)圖
[0035]圖9本發(fā)明支承底座結(jié)構(gòu)圖
[0036]圖10 C形環(huán)試樣斷裂加載示意圖
[0037]圖11傳力機(jī)構(gòu)裝配圖
[0038]圖12標(biāo)定器結(jié)構(gòu)圖
[0039]圖13橫向載荷標(biāo)定示意圖
【具體實(shí)施方式】
[0040]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的裝置和方法做進(jìn)一步的詳述。
[0041]加載裝置由加載頭100 (圖4)、傳力銷200 (圖5)、載荷轉(zhuǎn)換組件300 (圖6)、滑車400 (圖7)、抗彎拉板500 (圖8)和支承底座600 (圖9)六部分構(gòu)成，圖10給出了 C形環(huán)試樣斷裂測試加載的示意圖。
[0042]加載頭100兩側(cè)的楔形體101對稱布置，楔形體101上斜面的傾角相同，傾角的大小直接決定C形試樣橫向張開載荷同豎向楔入載荷之間的轉(zhuǎn)換比例。加載頭100由高強(qiáng)高硬材料制成，其表面應(yīng)作耐磨處理。加載頭100上楔形體101尾部安裝可拆卸的限位桿，以限制加載頭100豎向楔入過程中楔形體101尾部的彈性變形。
[0043]傳力銷200為臺柱式結(jié)構(gòu)，頂部榫頭201同抗拉拉板500連接，底部設(shè)梯形榫頭202和對稱布置的兩個通孔與滑車400剛性連接。傳力銷200上部為半圓柱與3/4圓柱式加載輥203的組合體結(jié)構(gòu)，加載輥203同C形環(huán)試樣的加載孔配合。
[0044]載荷轉(zhuǎn)換組件300為臺柱式結(jié)構(gòu)，頂部榫頭301同抗拉拉板500連接，底部設(shè)梯形榫頭302和對稱布置的兩個通孔與滑車400剛性連接。載荷轉(zhuǎn)換組件300上部沿與豎向成一定傾角的方向布置兩個相同規(guī)格的軸承303，軸承303中心連線的傾角與加載頭100中楔形體101的傾角保持一致。軸承303必須為精密加工且具有足夠的剛度和硬度的滑動軸承，不能采用從市場購買的成品滾動軸承。
[0045]滑車400左右兩側(cè)為分別與傳力銷200梯形榫頭201和載荷轉(zhuǎn)換組件300梯形榫頭301緊密配合的梯形開口和螺紋孔?；嚿蠈ΨQ布置4個相同規(guī)格的滾動軸承401，以降低C形試樣700橫向加、卸載時的摩擦阻力。在靠近載荷轉(zhuǎn)換組件連接的一側(cè)開設(shè)與梯形開口連通的方形孔402，以便加載頭100的楔形體101豎向通過。
[0046]傳力銷200、載荷轉(zhuǎn)換組件300和滑車400通過設(shè)置的榫卯結(jié)構(gòu)和螺栓連接成一個剛性整體，從而構(gòu)成用于將加載頭100施加的豎向載荷轉(zhuǎn)換為橫向載荷并傳遞給C形試樣100的傳力機(jī)構(gòu)(圖11)。
[0047]抗彎拉板500設(shè)置有與傳力銷200的頂部榫頭201和載荷轉(zhuǎn)換組件300的頂部榫頭301緊