专利名称：一种用于测试脆性材料强度的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及材料强度测量技术，具体涉及一种脆性材料强度的测试方法。
(二)
背景技术：
玻璃、陶瓷、混凝土、晶体等脆性材料目前在国民经济和国防中得到了广泛的应用。材 料的断裂强度是材料实际使用性能的重要参考指标，但强度不是本征参数，它和样品表面加 工质量、测试方法以及试样尺寸等诸多丙素有关。闲而如何较准确地测量使用条件下脆性材 料的断裂强度有着重要的理论和应用价值。
测定脆性材料的抗拉强度比较困难，主要是因为脆性材料硬而脆，难以加工出形状复杂 的拉伸标准试样，而且要求实验机具有髙的同心度，故主要以测定脆性材料弯曲强度作为评 价其强度性能的指标。目前国内外都没有一种简便、准确的脆性材料强度测试方法及测试仪， 常见的弯曲强度测试多采用三点弯曲或四点弯曲法，选用长棒状矩形截面的试样，因而也存 在棱边需要倒角防止应力集中、加工工序复杂等难点，另外为了克服试验结果重复性较差的 缺点，每组测量一般需要较多数量(一般大于IO)的样品，并进行维氏分布的统计分析。
另外对于单晶材料而言，存在晶体各向异性的特点，而在常见三点或四点弯曲法测试中 一般多采用长棒状矩形截面试样，因而即使是同一晶面试样的加载，如果试样侧面的晶面不 同，试验结果都有很大的差异，因而难以建立统一的材料评价体系。此外，三点或四点弯曲 试验很难真实反映材料在某些特定应用场合如光学窗口的受力状态。
(三)
发明内容
本发明的目的在于提供一种试样加工容易，测试装置简便，试验结果相对更加可靠，简 化了试样制备步骤，利于加工出高表面质量的试件，而且更宜适用于陶瓷类晶休和光学窗口 领域用材料的加载应力分析和强度讣算，此外在样品台上架设必要的电阻加热装置，还可方 便测试脆性材料变温强度大小的用于测试脆性材料强度的方法。
本发明的目的是这样实现的通过双轴向弯曲加载的方式，选用圆盘状试样、同心环夹 具，在电子万能实验机上加载，试样的上卜'圆截面作为相应的加载面和支撑面，选用两大小 不同的同心环试样夹具，对试样上下固定，进行双轴向弯曲，釆用相应的应力分析计算得到 对应的断裂弯曲强度值。
本发明的测试方法还有这样一些技术特征
1 、所述的圆盘状试样为非常见的长条状标准样品，在分析其应力状态计算试样的强度大 小时，采用以下公式
<formula>formula see original document page 4</formula>其中F为所加载荷的大小，f为样品的厚度；^为上加载环的平均直径，力为下支撑 环的平均直径，t/为试样的平均直径，V为样品的泊松比。
本发明的另一目的在于提供一种实现上述测试方法的用于测试脆性材料强度的装置，它 包括圆盘状试样、同心环夹具和电子万能实验机，同心环夹具包括大小不同的同心环夹具， 试样在两同心环中间形成"三明治"结构，其中大同心环放置在试样的下方，其上端用于支 撑试样，另一端在底部封闭，小同心环放置在样品的上方，在上端封闭。
本发明的测试脆性材料强度的装置还有这样一些技术特征
1、 所述的圆盘状试样上下圆截面作为相应的加载面和支撑面，并进行必要的研磨和抛光 处理；
2、 所述的同心环夹具材料的机械强度应高于待测试样，并且大小同心环均经过倒角处
理；
3、 所述的圆盘状试样与上下同心环之间分别放置润滑用石墨纸，垫片的大小应分别大于 同心环，且均小于超过试样的直径。
本发明涉及一种测试脆性材料强度的方法及其相关装置，尤其可应用于脆性材料强度的 测定，具体为选用圆盘状试样、同心环夹具，通过双轴向弯曲加载的方式，进而测试并计算 脆性试样的弯曲强度。目前测量脆性材料的强度多采用三点或四点弯曲法，然而由于脆性材 料一般硬而脆，不易加工，难以获得较高加工质量的长条状标准试样，并容易在加载过程中 造成应力集中。为克服由此引起的加工成本过大、试验结果重复性很差等相关问题，本发明
设计了一种新的双轴弯曲测试脆性材料弯曲强度的方法和相关装置，在常见的Instron-1186 电子万能实验机上选用圆盘状试样、同心环夹具、石墨垫片和配套的筒状定位导向装置，对 试样进行双轴向加载；试样加工容易，测试装置简便，试验结果相对更加可靠。
本发明的主要目的是设计一种能简便测试脆性材料弯曲强度的方法及其相关装置，不同 于常见的三点或四点弯曲加载法，而是选用圆盘状试样、同心环夹具，通过双轴向弯曲加载 的方式，采用相应的应力分析计算得到对应的断裂弯曲强度值。此方法简化了试样制备歩骤， 利于加工出高表面质量的试件，而且更宜适用于陶瓷类晶体和光学窗口领域用材料的加载应 力分析和强度计算，此外在样品台上架设必要的电阻加热装置，还可方便测试脆性材料变温 强度的大小。
本发明的技术特点有
1、一种测试脆性材料弯曲强度的方法及其相关装置，该方法通过双轴向弯曲加载的方式，
选用圆盘状试样、同心环夹具，采用相应的应力分析计算得到对应的断裂弯曲强度值。
2、 试样选用圆盘的形状，试样的上下圆截面作为相应的加载面和支撑面，并进行必要的 研磨和抛光处理，以尽可能避免表面的微孔、裂纹等缺陷影响试样测试结果的准确性。
3、 选用两大小不同的同心环试样夹具，夹具材料的机械强度应高于待测试样，并且大小 同心环均经过倒角处理，以避免测试过程中弓1起试样的应力集中现象。试样在两同心环中间 形成"三明治"结构，其中大同心环放置在试样的下方，其上端用于支撑试样，另一端在底 部封闭；而小同心环放置在样品的上方，在上端封闭，用于传递试样的加载载荷；并且为了 保证加载环和试样的同心度，要求加载垫板同试样的大小相当。
4、 另外为了进一步防止在加载过程中出现的应力集中现象，在试样与上下同心环之间分 别放置润滑用石墨纸，垫片的大小应分别大于同心环，但同时又都不能超过试样的直径，可 进一步避免加载过程中出现的应力集中现象。
(四)
图1为具体实施例实验装置示意图2为不同温度下蓝宝石晶体的双轴弯曲强度。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一歩的说明
本实施例通过双轴向弯曲加载的方式，选用圆盘状试样、同心环夹具，在电子万能实验 机上加载，试样的上下圆截面作为相应的加载面和支撑面，选用两大小不同的同心环试样夹 具，对试样上下固定，进行双轴向弯曲，采用相应的应力分析计算得到对应的断裂弯曲强度 值。圆盘状试样为非常见的长条状标准样品，在分析其应力状态计算试样的强度大小时，采 用以下公式-
"隱=^F[d + " ln(，) + (1 - 。(4^)]
其中F为所加载荷的大小，Z为样品的厚度；A为h加载环的平均直径，^为下支撑 环的平均直径，d为试样的平均莨径，l，为样品的泊松比。
本实施例装置包括圆盘状试样、同心环夹具和电子万能实验机，同心环夹具包括大小不 同的同心环夹具，试样在两同心环中间形成"三明治"结构，其中大同心环放置在试样的下 方，其上端用于支撑试样，另一端在底部封闭，小同心环放置在样品的上方，在上端封闭。 圆盘状试样上下圆截面作为相应的加载面和支撑面，并进行必要的研磨和抛光处理；同心环 夹具材料的机械强度应高于待测试样，并且大小同心环均经过倒角处理；圆盘状试样与上下 同心环之间分别放置润滑用石墨纸，垫片的大小应分别大丁同心环，且均小于超过试样的直
径。
蓝宝石晶体具有优异的光学性能、机械性能和化学稳定性，强度高、硬度大、耐冲刷， 可在高温的恶劣条件下工作，因而被广泛应用于军民多个领域。在蓝宝石同一毛坯上取样， 经过不同加工工艺后测得的强度值都不完全相同，可见该问题的复杂性。采用本专利双轴弯 曲法测试强度，对于蓝宝石晶体、镁铝尖晶石等常见的陶瓷类光学窗口材料而言，更易于加 工出高质量的试样表面，从而提高了试样测试结果的准确性和可重复性。
结合图1，本实施例选用高强度的碳化硅模具，同心环试样夹具包括模具上压环1和下 支撑环2，其中模具上压环的平均直径为(D10mm，下支撑环的平均直径为(D28mm。试样4 与模具之间都垫上一层0.6mm厚的石墨纸3。实验是在Instron-1186电子万能实验机上进行， 试样的尺寸为036mmx2.0mm，加载速率为0.5mm/min，测试的温度范围为20~800°C 。
在双轴弯曲法测量材料弯曲强度的实验过程中，试样上表面受到压应力，下表面受到拉 应力。当载荷达到某一特定值，往往在试样的拉伸面产生破坏，从而造成材料断裂。通过对 其应力状态的理论分析表明，材料受到的应力有径向应力和环向应力两个垂直分量，其数值 在加载环范围内相等并且达到最大值。
实测蓝宝石双轴弯曲强度值示于图2，所测数据与文献报道吻合很好。
权利要求
1.一种用于测试脆性材料强度的方法，其特征在于通过双轴向弯曲加载的方式，选用圆盘状试样、同心环夹具，在电子万能实验机上加载，试样的上下圆截面作为相应的加载面和支撑面，选用两大小不同的同心环试样夹具，对试样上下固定，进行双轴向弯曲，采用相应的应力分析计算得到对应的断裂弯曲强度值。
2、 根据权利要求1所述的一种用于测试脆性材料强度的方法，其特征在于所述的圆盘状试样为非常见的长条状标准样品，在分析其应力状态计算试样的强度大小时，采用以下公式:"匪=^T[(l + 。ln(,) + (l_v)(4^)]其中F为所加载荷的大小，Z为样品的厚度；4为上加载环的平均直径，^为下支撑 环的平均直径，J为试样的平均直径，V为样品的泊松比。
3、 一种用于实现权利要求1所述的用于测试脆性材料强度的方法的装置，其特征在于它 包括圆盘状试样、同心环夹具和电子万能实验机，同心环夹具包括大小不同的同心环夹具， 试样在两同心环中间形成"三明治"结构，其中大同心环放置在试样的下方，其上端用于支 撑试样，另一端在底部封闭，小同心环放置在样品的上方，在上端封闭。
4、 根据权利要求3所述的用于测试脆性材料强度的装置，其特征在于所述的圆盘状试样上下圆截面作为相应的加载面和支撑面，并进行必要的研磨和抛光处理。
5、 根据权利要求4所述的用于测试脆性材料强度的装置，其特征在于所述的同心环夹具 材料的机械强度应高于待测试样，并且大小同心环均经过倒角处理。
6、 按照权利要求5所述的用于测试脆性材料强度的装置，其特征在于所述的圆盘状试样 与上下同心环之间分别放置润滑用石墨纸，垫片的大小应分别大于同心环，且均小于超过试 样的直径。
全文摘要
本发明涉及一种测试脆性材料强度的方法及装置。本发明通过双轴向弯曲加载的方式，选用圆盘状试样、同心环夹具，在电子万能实验机上加载，试样的上下圆截面作为相应的加载面和支撑面，选用两大小不同的同心环试样夹具，对试样上下固定，进行双轴向弯曲，采用相应的应力分析计算得到对应的断裂弯曲强度值。本发明设计了一种新的双轴弯曲测试脆性材料弯曲强度的方法和相关装置，在常见的Instron-1186电子万能实验机上选用圆盘状试样、同心环夹具、石墨垫片和配套的筒状定位导向装置，对试样进行双轴向加载；试样加工容易，测试装置简便，试验结果相对更加可靠。
文档编号G01N1/32GK101373173SQ200810137019
公开日2009年2月25日 申请日期2008年8月27日 优先权日2008年8月27日
发明者孟松鹤, 左洪波, 张明福, 杜善义, 汪桂根, 韩杰才 申请人:哈尔滨工业大学