专利名称：一种金属材料剪切断裂试验夹持装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于一种材料的力学性能测试装置，特别涉及一种金属材料剪切断裂 试验夹持装置，具体的说是一种适用于焦散线法研究金属材料动态断裂过程，测试金属材 料II型或者I/II混合型应力强度因子以及裂纹长度随时间变化曲线的试样夹持装置。
背景技术：
金属材料作为结构材料，在服役过程中通常承受动态载荷的作用。在断 裂力学中，按照载荷产生的应力强度因子变化率i数值的大小对静态及动态载荷进 行划分，当10-3 MPa-Mu2S'1 <k< WMPamv2S^时属于静态或准静态断裂加载；当 IO3 MPa-In112S^ < K <\Q5 MPiW/2 一时属于动态断裂加载，必须考虑惯性效应的影响；当
IO5 M^W2Z时属于高动态加载，此时除必须考虑惯性效应外还必须考虑应力波与裂 纹的相互作用。对于材料抵抗裂纹失稳扩展的能力，通常采用断裂韧性指标来表征。相对 于静态或准静态条件，一般认为，动态载荷作用下材料服役的外界载荷条件更加恶劣，而材 料本身的抵抗裂纹失稳扩展的能力通常有所下降，这导致材料或结构在动态载荷的作用下 更容易失效。因此，对于动态断裂韧性的研究就显得十分必要。焦散线法是研究材料动态 断裂韧性较好的方法之一，该方法仅需对试验过程中不同时刻焦散线特征尺寸进行测量， 即可计算确定动态应力强度因子以及裂纹长度随时间变化的曲线、动态断裂韧性以及裂纹 平均扩展速率，具有测试精度高、实时性好的优点。部分金属材料，如钛合金，在断裂过程中 有较明显的剪切变形倾向，从而使裂纹路径呈现II型或者I/II混合型。对于该类金属材 料，有必要对其剪切加载方式下II型或者I/II混合型断裂的过程进行研究，但目前相关研 究较少，剪切加载方式的焦散线法试验缺少试样夹持装置。由于金属材料不透明，采用焦散 线法测试时需要使用反射式焦散线光路，这要求试样的工作表面为镜面，镜面不能受到夹 持装置或其他外界条件的干扰，以便反射足够强度的光线。因此，有必要提供一种适用于钛 合金II型或I/II混合型断裂焦散线法试验的试样夹持装置，该装置既要能够实现II型或 者I/II型加载，又要能够满足反射式焦散线光路对试样表面镜面的要求。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种金属材料剪切断裂试验夹持装置。该装置适用于钛 合金II型或I/II混合型断裂焦散线法试验中，既能实现II型或者I/II型加载，又能满足 反射式焦散线光路对试样表面镜面的要求。为实现所述目的，本实用新型采用的技术方案为一种金属材料剪切断裂试验夹持装置，其特征在于它的组成包括加载杆、紧固螺 栓、压紧块、试样装具和底座，试样装具安装于底座上；试样放置于试样装具的凹槽中，并确 保试样的预制切口或裂纹与试样装具的边缘对齐；加载杆紧贴试样装具的边缘，放置于试 样裸露在试样装具的凹槽之外的另一端；压紧块通过紧固螺栓与试样装具连接，并实现对 试样的牢固夹持。[0006]所述压紧块与试样装具连接时，其边缘与试样中预制切口或裂纹的距离约20mm， 确保在紧固试样的同时压紧块不遮挡试样的工作镜面。所述加载杆的轴心穿过试样所在平面并且与试样的预制切口或裂纹的方向平行， 加载杆经由落锤系统、摆锤系统、Hopkinson压杆系统或者气炮系统加速，对试样提供剪 切载荷，使试样发生Π型或者I/II混合型断裂。加速系统的选择依据为所需的应力强 度因子变化率i的范围，当IO3MPa.m1、-1 <ir<105MP—1/2一时选择落锤或摆锤系统， 当i > IO5MPaW2Z时选择Hopkinson压杆系统或者气炮系统。本实用新型的优点在于，在实现对动态剪切加载条件下对金属材料试样夹持的同 时保留了反射式焦散线法试验所需的工作镜面。下面通过附图和具体实施方式
对本实用新型做进一步说明，但并不意味着对本实 用新型保护范围的限制。
图1为本实用新型金属材料剪切断裂试验夹持装置的结构示意图。
具体实施方式
本实用新型提供一种金属材料剪切断裂试验夹持装置，用于焦散线法研究剪切加 载方式下材料动态断裂过程。如图1所示为本实用新型金属材料剪切断裂试验夹持装置的示意图，它的组成包 括加载杆1、紧固螺栓2和5、压紧块3、试样装具6和底座7，试样装具6安装于底座7上； 试样4放置于试样装具6的凹槽中，并确保试样4的预制切口或裂纹与试样装具6的边缘 对齐；加载杆1紧贴试样装具6的边缘，放置于试样4裸露在试样装具6的凹槽之外的另一 端；压紧块3通过紧固螺栓2与紧固螺栓5与试样装具6连接，并实现对试样4的牢固夹 持。结合本实用新型的金属材料剪切断裂试验夹持装置，具体测试步骤如下(1)在金属坯料上切取试样4，预制疲劳裂纹。试样4表面采用机械精抛光的方式 加工获得镜面平面，在50X金相显微镜下观察无明显划痕。用游标卡尺测量试样厚度d。
确定钛合金的弹性模量E和泊松比v，计算钛合金应力光学常数c，c计算为c = 。(2)将试样4放置于试样装具6的凹槽中，并确保试样4的预制切口或裂纹与试样 装具6的边缘对齐。(3)将压紧块3用紧固螺栓2和5安装于试样装具6上，并实现对试样的紧固。安 装压紧块3时，保证压紧块3的边缘与试样4中预制切口或裂纹的距离约20mm，从而确保在 紧固试样4的同时压紧块3不遮挡试样4的工作镜面。(4)安装加载杆1。加载杆1的轴心穿过试样4所在平面并且与试样4的预制切口 或裂纹的方向平行。加载杆1经由落锤系统、摆锤系统、Hopkinson压杆系统或者气炮系统 加速，对试样4提供剪切方式加载，使试样4发生II型或者I/II混合型断裂。加速系统的 选择依据为所需的应力强度因子变化率惫的范围，当IO3 ΜΛζ Γ1 < i < IO5MPflm" V 时选择落锤或摆锤系统，当i > IO5 ΜΛ "、-1时选择Hopkinson压杆系统或者气炮系统。试样加载之后，点光源阵列相隔特定的时间间隔依次发光，光线穿过凸透镜和半透半反镜照 射到试样表面，由于受到载荷的作用试样表面的反射光线形成焦散线及焦散斑图像，经半 透半反镜反射改变光路，透过凸透镜进入高速摄影系统。高速摄影系统依次记录各个时刻 的试样表面裂纹扩展位置、焦散线及焦散斑图像。 (5)采用高速摄影系统记录加载之后的试样的焦散线信息。焦散线法的原理及过 程，相关人员十分熟悉，再次不详细叙述。通过对焦散线试验结果分析，可以获得金属材料 II型或者I/II混合型应力强度因子随时间变化曲线、裂纹长度随时间变化曲线、II型或者 I/II混合型动态断裂韧性、以及裂纹平均扩展速率。
权利要求1.一种金属材料剪切断裂试验夹持装置，其特征在于它的组成包括加载杆、紧固螺 栓、压紧块、试样装具和底座，试样装具安装于底座上；试样放置于试样装具的凹槽中，并且 试样的预制切口或裂纹与试样装具的边缘对齐；加载杆紧贴试样装具的边缘，放置于试样 裸露在试样装具的凹槽之外的另一端；压紧块通过紧固螺栓与试样装具连接。
2.根据权利要求1所述的金属材料剪切断裂试验夹持装置，其特征在于所述压紧块 与试样装具连接时，所述压紧块的边缘与试样的预制切口或裂纹的距离为20mm。
3.根据权利要求1所述的金属材料剪切断裂试验夹持装置，其特征在于所述加载杆 的轴心穿过试样所在平面并且与试样的预制切口或裂纹的方向平行，加载杆经由落锤系 统、摆锤系统、Hopkinson压杆系统或者气炮系统加速。
4.根据权利要求3所述的金属材料剪切断裂试验夹持装置，其特征在于当应力强度 因子变化率为IO3MZVW2Z <ir<105MP_1/2Z范围时，加载杆经由落锤系统或摆锤系 统加速。
5.根据权利要求3所述的金属材料剪切断裂试验夹持装置，其特征在于当应力强度 因子变化率为IMO5MPim^21T1范围时，加载杆经由压杆系统或气炮系统加速。
专利摘要本实用新型涉及一种金属材料剪切断裂试验夹持装置，它的组成包括加载杆、紧固螺栓、压紧块、试样装具和底座，试样装具安装于底座上；试样放置于试样装具的凹槽中，并且试样的预制切口或裂纹与试样装具的边缘对齐；加载杆紧贴试样装具的边缘，放置于试样裸露在试样装具的凹槽之外的另一端；压紧块通过紧固螺栓与试样装具连接，实现对试样的牢固夹持。本实用新型的金属材料剪切断裂试验夹持装置，在实现对动态剪切加载条件下对金属材料试样夹持的同时保留了反射式焦散线法试验所需的工作镜面。
文档编号G01N3/04GK201909737SQ201020655680
公开日2011年7月27日 申请日期2010年12月7日 优先权日2010年12月7日
发明者于洋, 付艳艳, 刘睿, 叶文君, 惠松骁, 熊柏青, 米绪军 申请人:北京有色金属研究总院