专利名称：脆性材料力学性能无损测试方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种材料性能的测试方法及其装置，特别是关于一种脆性材料力学性能无损测试的方法及其装置。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种脆性材料力学性能无损测试方法，其特征在于(1)通过用高弹性模量的小球与被测试件之间在一定载荷下的相互接触来确定材料的机械性能；(2)通过产生临界接触裂纹时刻材料过程区内的最大平均应力来确定材料的局部强度；
(3)用低于局部强度的接触应力进行保证试验和可靠性试验；具体操作如下(a)对被测试件的局部进行打磨或抛光；(b)将一已知半径和弹性常数的球形压头垂直压在所述试件表面，通过传感器显示载荷值，加载至试件表面刚好产生一个微小环形裂纹，此刻的载荷为临界载荷；(c)将所述临界载荷和球形压头与试件在临界载荷时刻的接触圆半径，代入以下公式可以求出所述试件的局部强度，所述公式为σc=(arc2+brc+c)·(Ek)2/3·1π·(FcRs2)1/3---(1)]]>其中σc是局部强度，r是接触半径，a、b、c分别是与被测材料有关的常数，E是试样的弹性模量，k是与压球及被测材料的性能有关的常数，Fc是临界载荷值，Rs是压球半径(4)对于低于临界载荷的弹性接触问题，将正压力p和接触半径a以及压球半径r代入以下公式可以求出所述试件的弹性模量，所述公式为E=(1-v2)/[4a33pr-1-v′2E′]]]>其中E，v是被测材料的弹性模量和泊松比；E’，v’是压球的的弹性模量和泊松比。
一种脆性材料力学性能无损测试装置，其特征在于它包括一平面测试台；一具有一顶板和两垂直杆的门型支架，其设置在所述测试台上；一通过驱动装置移动的横梁，其两端设置在所述门型支架的两垂直杆上；一传感器，其设置在所述横梁上；一压头，其设置在所述传感器底端。
所述压头为球压头、维氏压头、三点弯曲压头中的一种。
所述测试台上设置有一与所述压头位置对应的通孔，在所述通孔上设置一盖板。
传感器安装在所述横梁的前方。
所述门型支架的两垂直杆为两丝杠，所述两丝杠的两端分别通过轴承安装在顶板和测试台上，所述横梁的驱动装置为一电机带动的减速器，所述减速器的输出端分别驱动两丝杠转动，所述横梁两端通过螺纹连接在所述丝杠上。
所述门型支架的两垂直杆为两导柱，所述两导柱的两端分别固定在所述顶板和测试台上，所述横梁的驱动装置为一通过螺纹旋设在所述顶板上的螺旋顶压装置，所述螺旋顶压装置的输出端顶设在所述横梁上，所述顶板和横梁之间设置复位弹簧。
本发明由于采用以上方法，其具有以下优点1、本发明由于仅在被测试件上压设微小的环形裂纹，便可以通过本申请人推导的均强度准则的公式，计算出被测试件的材料强度性能，因此解决了长期以来一直无法解决的对试件的非破坏性强度测试的问题。2、本发明方法可以不受试验条件和设备的限制，可以使用任何常规的力学试验机来实现，采用均强度准则，较真实地无损地再现材料的强度性能。3、本发明方法可以直接对被测试件本身进行测试，而不需要标准试样，其测试过程简便，测试数据具有较好的稳定性，离散性较小，更接近于实际情况。4、本发明提供的测试装置同样具备结构简单，测试方便，测试结果真实准确等优点，既适合实验室里应用，又适合于测试人员随身携带，现场测试等在线测试场合。本发明方法和装置操作方便，简单，可节省大量的材料费，测试费和时间，特别适合于对服役状态下的脆性构件进行在线测试和监测，其对国民经济建设具有非常广阔的应用前景。
工程结构中的接触一般可分为以下三种1)静接触，如桥墩与桥体之间、地基与房屋之间的支承等；2)循环接触，如齿轮之间的啮合等；3)冲击接触，如汽车和飞机风挡与空气中飞尘颗粒等的撞击等。这三种接触方式都会对被接触的两个物体产生不同程度的损伤，即接触损伤。
接触应力理论是赫兹19世纪80年代建立起来的一个理论体系，迄今已经历了一百多年的发展和完善。赫兹接触理论对两个弹性体的弹性接触应力求解和应力场分析等作了经典的描述，奠定了接触理论的基础。其中球与半无限体的接触已被广泛用于分析和表征陶瓷、金属和其它材料的断裂与变形特征以及评价材料的硬度和颗粒冲击等问题，也称为压痕方法。
接触理论和球压方法由于操作方便和具有解析解的特点已越来越受到重视，并被广泛用于脆性材料断裂表征和变形特性分析。压痕损伤研究及其应用也日益受到关注，并且已用在许多实际领域。对于脆性材料来说赫兹环形裂纹的启始代表压痕损伤的开始和线弹性接触理论成立的上限。表面环形裂纹启始的临界压痕应力是分析材料强度性能的重要参数。所以长期以来，材料和力学科学家一直想通过接触方法来获得材料的强度。然而许多研究表明在压痕断裂领域存在一些有待于进一步弄清楚的问题(1)材料的强度应该是一个常数，但开裂时的临界压痕应力不为常数，并远高于常规强度值。理论分析表明，临界压痕应力随着压球半径的增大而减小。(2)最大拉应力发生在表面接触圆周线上，但实践中环形裂纹总是大于接触圆，即裂纹不是产生在最大拉应力处。
这些问题的研究对压痕理论的发展和应用有重要意义。实际上它暗示了应力梯度对临界压痕应力的影响。本申请人通过应力梯度随着压球尺寸和样品材料的改变而变化来解释以上的几个问题及脆性材料的失效规律，首次建立用球压法测评脆性材料的强度性能的方法。
球压产生的环形裂纹是由赫兹弹性接触区内的径向应力σR所致。在轴对称的柱坐标中径向位置R，法向位置z及径向应力σR关系如下σRσo=12(1-2v)(rR)2[1-(zu)3]+3z2u[(1-v)u(r2+u)+(1+v)urarctan(ru)-2]---(2)]]>式中u=12{(R2+z2-r2)+[(R2+z2-r2)+4r2z2]1/2}]]>其中，v是材料的泊松比。当球形压头压在试件表面上，随着正压力增大，球和试件的接触半径也增大，接触圆周边产生拉应力，所以当载荷达到某临界值，脆性试件表面产生一个环形裂纹。根据赫兹接触理论，最大拉应力发生在表面接触圆的边缘上(z＝0，R＝r)。σm=12(1-2v)σo---(3)]]>按常规观点，当最大应力值高于材料的抗拉强度时将在此处发生开裂或产生裂纹。但一个令国内外许多研究者都感到困惑的问题是脆性材料的接触表面产生环形裂纹时刻的最大拉应力，按上式计算总是比材料的强度高得多，而且裂纹总是发生在最大拉应力的位置之外。
本申请人通过应力计算结果表明在接触圆边缘上，径向应力在深度方向迅速减小并变为受压。即此处沿着深度方向的应力梯度非常大，沿试样表面深度方向的应力随着球半径和R/r值的变化而变化。
球形压痕显示出两个特征(a)沿着深度方向上的应力梯度随着接触半径(或压球半径)的增大而减小；(b)沿着深度方向上的应力梯度随径向位置坐标R/r的增大而减小，最大的应力梯度发生在R/r＝1处。事实上，对于一个非均匀应力场，一点的应力峰值不能控制断裂发生。研究表明脆性材料中裂纹启始的临界状态取决于一个特定的小区域(过程区)内的平均应力，而不是取决于一点的应力峰值。这称为均强度准则。
当过程区的平均应力达到一个临界值σc时脆性材料将在此处断裂。过程区宽度Δ是一个取决于材料特性而与样品尺寸和形状无关的常数。σc是材料的本征强度。这样，在球压作用下环形裂纹启始的条件为1Δ∫0ΔσRdz=σc---(4)]]>Δ的值可以通过将均强度准则用于裂纹尖端的应力场来确定Δ=2π(K1cσc)2---(5)]]>通常Δ是一个随脆性材料晶粒尺寸的递增函数，它反映了微结构中相互联系、相互制约的最大区域，也代表了裂纹启始前局部能量积累的极限。均强度准则说明在非均匀应力场中开裂时刻的临界应力峰值不是常数而是与应力梯度有关。应力梯度越大，可达到的临界应力峰值越高。因此，在非均匀应力场中，应力峰值大大超过材料强度而材料不开裂并不奇怪。
由于开裂的条件是过程区内的平均拉应力达到一个临界值，所以首先须算出平均应力。作用区的平均强度σ是径向位置R的函数σ(R)=1Δ∫0ΔσR(z,R)dz---(6)]]>将方程(1)代入方程(5)，并用计算机进行数值积分，得到作为R/r的函数的平均强度。将结果与表面径向应力进行比较，可以看到最大径向应力发生在R＝r的地方，但此处的平均应力最小。计算表明，对于Δ＝0.03mm和r＝0.5mm的情况，平均应力的最大值发生在R/r＝1.15的地方。故此情况的环形裂纹的半径应该为1.15r，而不是在应力峰R＝r的地方开裂，该预测与实际是相符的。
裂纹启始时对应的最大平均应力σm代表了样品的局部强度。它也可以看作本征强度或单位体积的强度。环形裂纹半径与接触园半径之比R0/r的值是随着压球尺寸和材料而变化，而且总是大于1，可见接触半径通常比环形裂纹半径小一点。
用球压法可以测得材料或构件的局部强度，此强度值几乎不受试样边缘缺陷的影响。故可认为它是材料的本征强度。用球压法也可以方便地测评脆性材料的表面残余应力，并可做构件的无损保证实验。
根据上述研究，本申请人首次建立的用球压法无损测试脆性材料性能的方法，其具体实施步骤如下1、对被测试件的局部进行打磨或抛光；
2、将一已知直径和弹性常数的陶瓷轴承球或碳化钨球作为压头，该压头的弹性常数为已知；3、将压头垂直压在抛光处，以每分钟0.1mm的速度加载，通过传感器测量在线载荷值。
4、加载至试件表面产生一微小环形裂纹，此刻的载荷为临界载荷。
5、测量微小环形裂纹的直径，通过公式导出球形压头与试件在临界载荷时刻的接触圆半径，或用读数显微镜直接测出球形压头与试件在临界载荷时刻的接触圆半径。
6、将临界载荷带入公式(1)计算得到所述试件的局部强度。
上述方法中，可以在试件表面设置数个测点，分别得出每个测点的局部强度，通过计算，可以得到试件的平均强度值和标准数值差。
上述方法也可以用于保证试验，即对应于给定强度要求的载荷进行测试，若在该额定载荷下，试件不出现微小环形裂纹，则认为材料的局部强度高于所要求的强度，是可靠的。
需要说明的是本发明的无损测试方法是指对试件的整体结构不产生损坏，比如，不必将花瓶压碎取样等破坏性的测试方法。
本发明方法可以用专用的仪器来实现，也可以用任何常规的力学试验机来实现。
下面是介绍一种专门为实现本发明方法而设计的测试装置。
如
图1、图2所示，本发明的脆性材料力学性能无损测试装置包括一平面测试台1，其底面设置有支撑脚，顶面设置有一具有顶板2和两丝杠3组成的门型支架。两丝杠3的两端分别通过轴承4垂直安装在顶板2和测试台1上，两丝杠3的底端连接一固定在测试台1底面的电机5带动的减速器6。电机5的转动可以通过减速器6同时带动两丝杠3转动。一横梁7，横梁7的两端通过内螺纹连接在两丝杠3上，两丝杠3的转动可以带动横梁7上、下移动。将一传感器8，设置在横梁7的底面，再将一材料为陶瓷轴承球或碳化钨、直径为3-10mm球形压头9设置在传感器8的底端，使加压在球形压头9上的载荷值可以通过传感器8显示出来。
上述实施例中，可以在测试台1上开设一与球形压头9位置对应的通孔10，在通孔10上放置一盖板11。这样在测试一不易移动的试件时，可以打开盖板11将球形压头9探出测试台1的通孔10进行测试。
上述实施例中，门型支架的两垂直杆也可以是两导柱12(如图3所示)，两导柱的12两端分别固定在顶板2和测试台1上。横梁7的驱动装置为一通过螺纹旋设在顶板2上的螺旋顶压装置13(比如一丝杠)，螺旋顶压装置13的输出端顶设在横梁7上。螺旋顶压装置13具有一手柄14，螺旋顶压装置13通过手动旋转手柄14驱动，在顶板2和横梁7之间设置有复位弹簧15。手柄14也可以是通过电机、减速器等驱动。
如图2所示，门型支架的顶板2的前部可以探出两垂直杆，使安装其上的传感器8呈悬臂状，这样被测试件体积就不必放置在门型支架的两垂直杆之间，有利于较大的试件测试。
另外本实用新型可以立着放置工作，也可以躺着放在体视显微镜下工作，使受载过程中的试样局部演变置于显微镜的在线监测之下。体视显微镜带有数码照相机并与计算机相连，可将所拍的照片直接输到计算机进行处理。
综上所述，本发明方法和装置具有简捷、迅速，对被测试样不需制备特定尺寸要求的测试试样等优点。球压法是压痕接触方法中唯一具有强度解析解的一种方法，且在弹性范围内对被测试样不造成任何损伤。本发明在简介了赫兹接触理论的基础上，给出了利用球压法表征的材料局部强度的表达式。通过有残余应力试样和无残余应力试样强度的对比，可以方便地获得材料局部的残余应力值。
本发明的突破在于发现了应力梯度对脆性材料开裂特性的影响规律，同时利用包亦望博士提出的均强度准则，确定了非均匀应力场下的开裂临界状态。
权利要求
1.一种脆性材料力学性能无损测试方法，其特征在于(1)通过用高弹性模量的小球与被测试件之间在一定载荷下的相互接触来确定材料的机械性能；(2)通过产生临界接触裂纹时刻材料过程区内的最大平均应力来确定材料的局部强度；(3)用低于局部强度的接触应力进行保证试验和可靠性试验；具体操作如下(a)对被测试件的局部进行打磨或抛光；(b)将一已知半径和弹性常数的球形压头垂直压在所述试件表面，通过传感器显示载荷值，加载至试件表面刚好产生一个微小环形裂纹，此刻的载荷为临界载荷；(c)将所述临界载荷和球形压头与试件在临界载荷时刻的接触圆半径，代入以下公式可以求出所述试件的局部强度，所述公式为σc=(arc2+brc+c)·(Ek)2/3·1π·(FcRs2)1/3]]>其中σc是局部强度，r是接触半径，a、b、c分别是与被测材料有关的常数，E是试样的弹性模量，k是与压球及被测材料的性能有关的常数，Fc是临界载荷值，Rs是压球半径(4)对于低于临界载荷的弹性接触问题，将正压力p和接触半径a以及压球半径r代入以下公式可以求出所述试件的弹性模量，所述公式为E=(1-v2)/[4a33pr-1-v′2E′]]]>其中E，v是被测材料的弹性模量和泊松比；E’，v’是压球的的弹性模量和泊松比。
2.一种脆性材料力学性能无损测试装置，其特征在于它包括一平面测试台；一具有一顶板和两垂直杆的门型支架，其设置在所述测试台上；一通过驱动装置移动的横梁，其两端设置在所述门型支架的两垂直杆上；一传感器，其设置在所述横梁上；一压头，其设置在所述传感器底端。
3.如权利要求2所述的脆性材料力学性能无损测试装置，其特征在于所述压头为球压头、维氏压头、三点弯曲压头中的一种。
4.如权利要求2所述的脆性材料力学性能无损测试装置，其特征在于所述测试台上设置有一与所述压头位置对应的通孔，在所述通孔上设置一盖板。
5.如权利要求3所述的脆性材料力学性能无损测试装置，其特征在于所述测试台上设置有一与所述压头位置对应的通孔，在所述通孔上设置一盖板。
6.如权利要求2或3或4或5所述的脆性材料力学性能无损测试装置，其特征在于传感器安装在所述横梁的前方。
7.如权利要求2或3或4或5所述的脆性材料力学性能无损测试装置，其特征在于所述门型支架的两垂直杆为两丝杠，所述两丝杠的两端分别通过轴承安装在顶板和测试台上，所述横梁的驱动装置为一电机带动的减速器，所述减速器的输出端分别驱动两丝杠转动，所述横梁两端通过螺纹连接在所述丝杠上。
8.如权利要求6所述的脆性材料力学性能无损测试装置，其特征在于所述门型支架的两垂直杆为两丝杠，所述两丝杠的两端分别通过轴承安装在顶板和测试台上，所述横梁的驱动装置为一电机带动的减速器，所述减速器的输出端分别驱动两丝杠转动，所述横梁两端通过螺纹连接在所述丝杠上。
9.如权利要求2或3或4或5所述的脆性材料力学性能无损测试装置，其特征在于所述门型支架的两垂直杆为两导柱，所述两导柱的两端分别固定在所述顶板和测试台上，所述横梁的驱动装置为一通过螺纹旋设在所述顶板上的螺旋顶压装置，所述螺旋顶压装置的输出端顶设在所述横梁上，所述顶板和横梁之间设置复位弹簧。
10.如权利要求6所述的脆性材料力学性能无损测试装置，其特征在于所述门型支架的两垂直杆为两导柱，所述两导柱的两端分别固定在所述顶板和测试台上，所述横梁的驱动装置为一通过螺纹旋设在所述顶板上的螺旋顶压装置，所述螺旋顶压装置的输出端顶设在所述横梁上，所述顶板和横梁之间设置复位弹簧。
全文摘要
本发明涉及一种脆性材料力学性能无损测试方法及其装置，本发明通过研究发现了应力梯度对脆性材料开裂特性的影响规律，同时利用均强度准则，(1)通过用高弹性模量的小球与被测试件之间在一定载荷下的相互接触来确定材料的机械性能。(2)通过产生临界接触裂纹时刻材料过程区内的最大平均应力来确定材料的局部强度。(3)用低于局部强度的接触应力进行保证试验和可靠性试验。本发明方法和装置操作方便，简单，可节省大量的材料费，测试费和时间，特别适合于对服役状态下的脆性构件进行在线测试和监测，其对国民经济建设具有非常广阔的应用前景。
文档编号G01N3/00GK1392400SQ0212603
公开日2003年1月22日 申请日期2002年8月9日 优先权日2002年8月9日
发明者包亦望, 苏盛彪, 孙立, 杨建军, 马眷荣 申请人:中国建筑材料科学研究院