用于脆性材料III型动态断裂韧度测试的试件组件及测试方法与流程

本发明属于材料力学性能测试领域，特别涉及用于脆性材料III型动态断裂韧度测试的试件组件及测试方法。

背景技术：

土木、水利、机械、交通、石油、矿业、航空航天等工程领域都涉及到混凝土、岩石、陶瓷或石墨等脆性材料的断裂问题。断裂韧度作为断裂力学中表征材料抵抗断裂的力学参数，在工程应用与理论研究中均具有重要的价值。根据裂纹体所受荷载方式的不同，可将断裂分为I型、II型和III型三种基本模式，相应地，断裂韧度也分为I型、II型和III型断裂韧度，即KIc，KIIc和KIIIc。I型断裂是指张开型断裂，即两个裂纹面相互张开；II型断裂是指面内剪切型断裂，即两个裂纹面会产生相对滑动，且滑动方向与裂纹前缘线方向垂直；III型模式是指面外剪切型(又称撕裂型)断裂，两个裂纹面的相对滑动方向与裂纹前缘线方向平行。

近年来，众研究者对材料的断裂韧度测试开展了大量研究，但现有的大多数研究针对的是准静态加载条件下的I型或II型断裂韧度测试，对于III型断裂韧度测试的研究相对较少，尤其是对于动态的、高加载率条件下的III型断裂韧度测试研究几乎没有，这是因为：在实验室内，对含裂纹试件施加I型和II型荷载比较容易，而要施加III型荷载往往需要十分复杂的装置和非常繁琐的操作，而用于III型动态断裂韧度测试的实验装置几乎没有。然而，在实际工程中，III型断裂韧度通常是工程设计、安全评估以及数值模拟不可或缺的基本材料参数，且材料的动态断裂行为和能量耗散规律与爆炸、撞击、地震等动荷载作用下工程材料的动力特性与破坏机理有着密切联系，材料的动态力学性能测试日益受到重视。因此，有必要开发简便可行的方法来获得脆性材料III型动态断裂韧度。

CN103471935A公开了用于测试塑性材料Ⅲ型断裂韧度的试件，该试件为长方形平板试件，长边＞宽边＞厚度，在平板两条长边的中间位置对称设置两条垂直于长边的初始切槽裂纹，在开槽后剩余的、起连接作用的韧带的两个表面设置对称的V型边切槽，该试件能在一般的万能试验机上完成静态测试。但是，若将该试件直接应用于脆性材料Ⅲ型动态断裂韧度测试，将存在以下不足：(1)该试件需要制作较浅的V型切槽，此V型切槽制作起来十分不易，尤其是对于粗颗粒的混凝土与岩石材料，容易给试件造成额外的损伤，影响试件精度；(2)使用该试件测试时是通过支撑座支点对长方形试件的4个角点进行加载，加载方式为点荷载，加载位置正好处于长方形试件角点，此加载方式实现起来十分困难，尤其是在动态测试中，极易造成加载角点比裂纹尖端更早被破坏，导致实验失效，该试件在III型动态断裂韧度测试中的实用性很差；(3)该发明并未说明实验后如何计算III动态型断裂韧度，因此并不完备。

技术实现要素：

针对现有III型动态断裂韧度测试试件结构复杂、制作难度大、在III型动态断裂韧度测试中的实用性差，以及没有可行的III型动态断裂韧度测试方法的技术现状，本发明旨在提供用于脆性材料III型动态断裂韧度测试的试件组件及测试方法，以简化脆性材料III型动态断裂韧度测试试件的结构，填补现有技术中脆性材料III型动态断裂韧度测试领域的空白。

本发明提供的用于脆性材料III型动态断裂韧度测试的试件组件，包括带切槽的试件本体和抵压试件本体的压头，所述试件本体为正方形平面板块，位于其上的切槽为四个形状相同的切槽，分别位于试件本体四个侧面上试件本体板面的两对称线所在位置，切槽的方向沿试件本体厚度方向和对称线的方向，切槽开口向着试件本体内部延伸并贯穿试件本体的上下板面；所述压头为四个形状相同的、与试件本体板平面成点接触的弧端面压头，两个压头对称位于试件本体一侧板面同一对角线上，另两个压头对称位于试件本体另一侧板面的另一个对角线上，各压头与试件本体的接触点到其最接近的试件本体侧面的垂直距离相等。

上述试件组件的技术方案中，所述压头为平底半球体或者平底半椭球体结构压头；所述压头以其平底面与试件本体板面平行的方式粘附在试件本体板面上。

上述试件组件的技术方案中，压头与试件本体的接触点到其最接近的试件本体侧面的垂直距离为5～10mm。

上述试件组件的技术方案中，试件本体的厚度与试件本体的边长之比为0.1～0.2。

上述试件组件的技术方案中，切槽的深度与试件本体的边长之比为0.2～0.3。

上述试件组件的技术方案中，切槽的宽度不超过1mm。

上述试件组件的技术方案中，试件本体的边长为50～100mm。

本发明还提供了使用上述试件组件测试脆性材料III型动态断裂韧度的方法，包括以下步骤：

①将试件安装在霍普金森压杆测试装置的入射杆和透射杆之间，使入射杆的后端面、透射杆的前端面分别与位于试件本体上下两板面上的压头接触，利用霍普金森压杆测试装置的冲击杆对入射杆的前端面进行撞击，应力波经设置在入射杆前端面上的波形整形片整形作用后通过入射杆作用于试件上，应力波在试件上经历反射和透射，使用设置在入射杆和透射杆上的应变片采集从撞击开始至试件本体失效整个过程的入射应变、反射应变以及透射应变；

②按式(I)计算荷载随时间的变化值P(t)，

式(I)中，E和A分别为入射杆、透射杆的弹性模量和横截面积，εi(t)、εr(t)分别为入射杆上的应变片测得的入射和反射应变随时间的变化值，εt(t)为透射杆上的应变片测得的透射应变随时间的变化值；

然后按式(II)计算Ⅲ型应力强度因子KⅢ随时间的变化值KⅢ(t)，根据KⅢ(t)的峰前直线段的斜率确定动态加载率KⅢ(t)的最大值即为脆性材料在动态加载率时的III型动态断裂韧度KⅢc，

式(II)中，B和L分别为试件本体的厚度和边长，Y为试件本体几何形状系数。

上述测试脆性材料III型动态断裂韧度的方法的技术方案中，所述试件本体几何形状系数Y值的大小与切槽的深度、试件本体的边长以及压头的设置位置等因素有关，试件本体几何形状系数Y值利用有限元数值软件计算得到。

利用有限元数值软件计算Y值的方法如下：

在工程界常用的ANSYS或ABAQUS等有限元数值计算软件中，建立与试件本体成任一比例的试件本体的有限元数值模型，在试件本体的有限元数值模型上与试件本体加载点对应的位置处施加任意荷载P，然后利用有限元数值计算软件计算输出裂纹尖端的III型应力强度因子KIII，通过式(III)计算得到Y值，

式(III)中，B′和L′为试件本体的有限元数值模型的几何参数，与试件本体中B和L的物理意义相同，并且这些对应的几何参数之间均呈同一比例。

上述测试脆性材料III型动态断裂韧度的方法的技术方案中，试件本体失效是指试件被破坏完全失去承载能力。

上述测试脆性材料III型动态断裂韧度的方法的技术方案中，，通过改变冲击杆的撞击速度，可得到宽范围的高加载率条件下的脆性材料III型动态断裂韧度。

实施上述测试脆性材料III型动态断裂韧度的方法的霍普金森压杆测试装置，主要包括冲击杆发射装置、冲击杆、气室、设置在入射杆前端面上的波形整形片、入射杆、透射杆、贴附在入射杆和透射杆上的应变片、数据采集处理系统和吸收杆，所述冲击杆位于气室中，冲击杆发射装置位于气室前端、入射杆的前端与气室的后端对应，入射杆的后端与透射杆的前端相对设置形成夹持试件的夹持副，贴附在入射杆和透射杆表面的应变片与数据采集处理系统连接，透射杆的后端与吸收杆的前端相对设置。

上述霍普金森压杆测试装置中，入射杆和透射杆为钢质实心杆，入射杆和透射杆的杆径相等，波形整形片为直径20～50mm、厚度约为3mm的铜质圆形垫片。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明提供了一种新型结构的用于脆性材料III型动态断裂韧度测试的试件组件，该试件由带直形边切槽的正方形平面板块试件本体和抵压试件本体的压头组成，试件本体由块体脆性材料经简单切割后得到，在试件本体上粘结上压头即完成该试件的制作，切割加工量小，直形边切槽可有效降低加工难度，尤其是对于粗颗粒的岩石以及混凝土等材料，还能减少加工时的试件损伤、提高加工精度，与现有的带V型切槽的长方形平板试件相比，本发明所述试件不但制作方式简单、加工难度低，而且能提高试件的加工精度。

2.本发明所述用于脆性材料III型动态断裂韧度测试的试件通过压头在试件本体上的巧妙布置，配合动力实验常用的霍普金森压杆装置即可通过压头实现对裂纹在动态的、高加载率条件下III型加载，加之加载位置与试件本体上切槽的形式和位置设置合理，加载时不会因加载点先于裂纹端部开裂而造成试验失效，与现有的III型动态断裂韧度测试试件相比，无需配合使用复杂的加载以及夹持装置即可实现III型动态荷载的加载，还能避免复杂的加载操作，本发明所述试件具有加载方式简单、易操作和有利于提高加载精度的优势，弥补了现有III型断裂韧度测试试件在III型断裂韧度测试中实用性差的不足。

3.本发明还提供了利用上述试件测试脆性材料III型动态断裂韧度的方法，该方法利用本发明提供的试件配合动力实验常用的霍普金森压杆装置即可实现加载，而且该方法的操作过程和脆性材料III型动态断裂韧度的计算过程均十分简单，因此该方法在试件制作、设备需求、试验过程和经费投入上都具有较大的优势，该方法填补了现有技术中脆性材料III型动态断裂韧度测试领域的空白缺失，有助于解决工程中对可行的III型动态断裂韧度测试方法的实际需求，实用性强，有利于推广应用。

4.本发明所述测试脆性材料III型动态断裂韧度的方法的操作简单，试验过程中只需通过霍普金森压杆装置的数据采集处理系统记录从撞击开始至试件失效整个过程的入射应变、反射应变以及透射应变，即可计算出脆性材料III型动态断裂韧度和相应的动态加载率，并且，通过改变冲击杆的撞击速度，可得到宽范围的高加载率条件下的III型动态断裂韧度，具有适用范围广的优势。

附图说明

图1是本发所述试件组件的立体结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1的侧视图；

图4是本发明所述试件组件在霍普金森压杆测试装置上的安装示意图；

图中，1—试件本体、2—切槽、3—压头、4—冲击杆、5—冲击杆发射装置、6—气室、7—波形整形片、8—入射杆、9—透射杆、10—应变片、11—数据采集处理系统、12—吸收杆、L—试件本体的边长、B—试件本体的厚度、a—切槽的深度、t—切槽的宽度、S—压头与试件本体的接触点到其最接近的试件本体侧面的垂直距离、D—半球体压头的直径。

具体实施方式

以下通过实施例并结合附图对本发明所述用于脆性材料III型动态断裂韧度测试的试件组件及测试方法作进一步说明。有必要在此指出，下面的实施例只是用于更好地阐述本发明的工作原理及其实际应用，以便于其它领域的技术人员将本发明用于其领域的各种设施中，并根据各种特定用途的设想进行改进。尽管本发明已通过文字揭露其首选实施方案，但通过阅读这些技术文字说明可以领会其中的可优化性和可修改性，并在不偏离本发明的范围和精神上进行改进，但这样的改进应仍属于本发明权利要求的保护范围。

实施例1

本实施例中，用于脆性材料III型动态断裂韧度测试的试件组件的结构示意图如图1～3所示，该试件组件的试件本体由混凝土块经金刚石切片机切割制作而成。

用于脆性材料III型动态断裂韧度测试的试件组件，由带切槽2的试件本体1和抵压试件本体的压头3组成，所述试件本体为正方形平面板块，试件本体的边长L＝70mm、试件本体的厚度B＝10mm，位于该试件本体上的切槽2为四个形状相同的切槽，分别位于试件本体四个侧面的两对称线所在位置，切槽的方向沿试件本体厚度方向和对称线的方向，切槽开口向着试件本体内部延伸并贯穿试件本体的上下板面，切槽的深度a＝14mm、切槽的宽度t＝1mm；所述压头3为四个直径D均为10mm的钢质平底半球体，各压头与试件本体的上板面或下板面成点接触，两个压头对称位于试件本体一侧板面同一对角线上，另两个压头对称位于试件本体另一侧板面的另一对角线上，即四个压头所在的两对角线相互垂直，各压头与试件本体的接触点到其最接近的试件本体侧面的垂直距离S均为5mm。

实施例2

本实施例中，用于脆性材料III型动态断裂韧度测试的试件组件的结构示意图如图1～3所示，该试件组件的试件本体由混凝土块经金刚石切片机切割制作而成。

用于脆性材料III型动态断裂韧度测试的试件组件，由带切槽2的试件本体1和抵压试件本体的压头3组成，所述试件本体为正方形平面板块，试件本体的边长L＝100mm、试件本体的厚度B＝20mm，位于该试件本体上的切槽2为四个形状相同的切槽，分别位于试件本体四个侧面的两对称线所在位置，切槽的方向沿试件本体厚度方向和对称线的方向，切槽开口向着试件本体内部延伸并贯穿试件本体的上下板面，切槽的深度a＝30mm、切槽的宽度t＝1mm；所述压头3为四个直径D均为15mm的钢质平底半球体，各压头与试件本体的上板面或下板面成点接触，两个压头对称位于试件本体一侧板面同一对角线上，另两个压头对称位于试件本体另一侧板面的另一对角线上，即四个压头所在的两对角线相互垂直，各压头与试件本体的接触点到其最接近的试件本体侧面的垂直距离S均为10mm。

实施例3

本实施例中，用于脆性材料III型动态断裂韧度测试的试件组件的结构示意图如图1～3所示，该试件组件的试件本体由岩石块经金刚石切片机切割制作而成。

用于脆性材料III型动态断裂韧度测试的试件组件，由带切槽2的试件本体1和抵压试件本体的压头3组成，所述试件本体为正方形平面板块，试件本体的边长L＝50mm、试件本体的厚度B＝5mm，位于该试件本体上的切槽2为四个形状相同的切槽，分别位于试件本体四个侧面的两对称线所在位置，切槽的方向沿试件本体厚度方向和对称线的方向，切槽开口向着试件本体内部延伸并贯穿试件本体的上下板面，切槽的深度a＝10mm、切槽的宽度t＝0.8mm；所述压头3为四个直径D均为8mm的钢质平底半球体，各压头与试件本体的上板面或下板面成点接触，两个压头对称位于试件本体一侧板面同一对角线上，另两个压头对称位于试件本体另一侧板面的另一对角线上，即四个压头所在的两对角线相互垂直，各压头与试件本体的接触点到其最接近的试件本体侧面的垂直距离S均为5mm。

实施例4

本实施例中，采用实施例1所述试件组件配合霍普金森压杆测试装置测试脆性材料III型动态断裂韧度。

霍普金森压杆测试装置主要包括冲击杆发射装置5、冲击杆4、气室6、设置在入射杆前端面上的波形整形片7、入射杆8、透射杆9、贴附在入射杆和透射杆上的应变片10、数据采集处理系统11和吸收杆12，所述冲击杆4位于气室6中，冲击杆发射装置5位于气室前端、入射杆8的前端与气室的后端对应，入射杆8的后端与透射杆9的前端相对设置形成夹持试件组件1和3的夹持副，贴附在入射杆和透射杆中段表面的应变片10与数据采集处理系统11连接，透射杆9的后端与吸收杆12的前端相对设置，所述入射杆8和透射杆9均为杆径100mm的钢质实心杆，波形整形片7是直径30mm、厚度3mm的铜质圆形垫片。

脆性材料III型动态断裂韧度的测试过程如下：

①将试件组件安装在霍普金森压杆测试装置的入射杆8和透射杆9之间，使入射杆的后端面、透射杆的前端面分别与位于试件本体上下两板面上的压头3接触，启动冲击杆发射装置5的触发机构使冲击杆4对入射杆的前端面进行撞击，应力波经设置在入射杆前端面上的波形整形片整形作用后通过入射杆作用于试件上，应力波在试件上经历多次反射和透射后最终会在试件的两端达到动力平衡，使用设置在入射杆和透射杆上的应变片采集从撞击开始至试件本体失效整个过程的入射应变、反射应变以及透射应变并传输至数据采集处理系统11中。

②按式(I)计算荷载随时间的变化值P(t)，

式(I)中，E和A分别为入射杆、透射杆的弹性模量和横截面积，εi(t)、εr(t)分别为入射杆上的应变片测得的入射和反射应变随时间的变化值，εt(t)为透射杆上的应变片测得的透射应变随时间的变化值；

根据入射杆、透射杆的弹性模量和横截面积，以及步骤①记录的εi(t)、εr(t)、εt(t)值，可计算得到P(t)。

在计算出P(t)后，按式(II)计算Ⅲ型应力强度因子KⅢ随时间的变化值KⅢ(t)，根据KⅢ(t)的峰前直线段的斜率确定动态加载率KⅢ(t)的最大值即为脆性材料在动态加载率时的III型动态断裂韧度KⅢc，

式(II)中，B和L分别为试件本体的厚度和边长，Y为试件本体几何形状系数，Y值利用有限元数值软件计算得到。

利用有限元数值软件计算Y值的方法如下：

在工程界常用的ANSYS或ABAQUS等有限元数值计算软件中，建立与试件本体成任一比例的试件本体的有限元数值模型，在试件本体的有限元数值模型上与试件本体加载点对应的位置处施加任意荷载P，然后利用有限元数值计算软件计算输出裂纹尖端的III型应力强度因子KIII，通过式(III)计算得到Y值，

式(III)中，B′和L′为试件本体的有限元数值模型的几何参数，与试件本体中B和L的物理意义相同，并且这些对应的几何参数之间均呈同一比例。

对于本实施例，按照上述方法确定的Y值为3.088。

将B、L和Y值以及P(t)代入式(II)中可计算得到Ⅲ型应力强度因子KⅢ随时间的变化值KⅢ(t)，根据KⅢ(t)的峰前直线段的斜率即可确定动态加载率然后求取KⅢ(t)的最大值即得脆性材料在动态加载率时的III型动态断裂韧度KⅢc。