一种广泛适用于微型样品的单剪切性能测试方法与流程

本发明涉及材料剪切性能测试的技术方案设计和应用
技术领域：
，特别提供了一种广泛适用于微型样品的单剪切性能测试方法。
背景技术：
：剪切表现为构件在大小相等方向相反作用线相距很近的横向外力作用下，两力之间的横截面发生错动，这两个大小相等方向相反作用线相距很近的横向外力称为剪切力，发生剪切变形的截面称为剪切面，剪切力和剪切面面积的比值称为剪切应力。根据构件受到的剪切力的作用方式，可将剪切分为单剪切和双剪切，单剪切表现为剪切力只作用于构件的一个截面；双剪切则表现为剪切力同时作用于构件的两个截面。导致材料破坏的力都是剪切力，拉伸、压缩、扭转等一系列变形虽然宏观上表现为各种不同的变形方式，但是微观上都是材料内部的位错在剪切力的作用下沿着特定的方向和平面产生滑移进而导致材料的宏观变形或者断裂，也就是说导致材料变形和破坏的力实质都是剪切力。在实际工况中，螺栓、铆钉、链接键等很多构件都会受到剪切力的作用。所以，剪切性能是材料非常重要的力学性能指标，是材料各种力学性能指标的基础。典型的螺栓和铆钉受到的剪切力如附图1-4所示。现有测试中，关于材料的剪切性能测试的方法有限，且适用对象单一，方法复杂；现有技术方案中，来自国家标准标《销剪试验方法》，国标号为gb/t13683-92。该方案使得实验对象(实验销子)承受双截面的剪切载荷，最后记录销子断裂时的最大载荷得出剪切强度。该方案很难保证销子在两个截面处同时断裂，得出的剪切强度会有所失真。来自行业标准《金属板材剪切实验方法》，行标号为hb6736-93。该方案试样加工困难，而且试样要求的尺寸过大(某一维度尺寸大于100mm)，其试样尺寸图如附图5所示。来自专利《一种用于薄板简单剪切加载下力学性能测试的装置》，专利号为201010553215.8。该方案适用对象范围较小，而且剪切装置结构复杂，加工困难。在实际加工生产中，有时会遇到尺寸较小(三维尺寸或二维尺寸小于10mm)的产品或构件，在这类产品或构件上所取得的能用于剪切测试的样品就会更小。而且，实际工程中，需要一种简单而且适用范围广的方法来测定材料的剪切性能，人们迫切希望获得一种技术效果优良的广泛适用于微型样品的单剪切性能测试方法。技术实现要素：本发明的目的是提供一种技术效果优良且广泛适用于微型样品的单剪切性能测试方法。本发明能很好地解决现有技术的缺点，其尤其适合小尺度样品的单剪切性能测试操作。本发明提供了一种广泛适用于微型样品的单剪切性能测试方法，其特征在于：使用满足下述要求的剪切装置：剪切装置为刚性结构，其具体为两个中心对称结构的剪切偶即下剪切偶1和上剪切偶2二者配对组合构成，配对使用的下剪切偶1和上剪切偶2是由一个圆柱体材料切割加工而成；单个剪切偶的结构如下：紧固连接部7、基础部6、配合对正部4；其中，基础部6为圆柱体形状，紧固连接部7、配合对正部4沿基础部6的轴向分别布置在其两端；配合对正部4为沿圆柱体垂直于轴线所在某平面沿直径半剖开后剩余的半个圆柱体结构；紧固连接部7、基础部6、配合对正部4三者固定连接为整体的一体化结构；两个剪切偶即下剪切偶1和上剪切偶2二者配对时二者的配合对正部4紧密接触使得两个剪切偶共同构成圆柱体形状的结构；两个剪切偶的配合对正部4上设置有垂直于轴线的贯穿的长方体形样品槽5。所述广泛适用于微型样品的单剪切性能测试方法，其特征在于：剪切装置中的紧固连接部7设置有螺纹连接结构；剪切装置所用材料的硬度不低于600hv。所述广泛适用于微型样品的单剪切性能测试方法，其特征在于：样品槽5的宽度w和厚度b是可以根据实际检测实物的尺寸来确定，使得本发明的适用范围大大增加。一般情况下，w＝2～20mm，b＝1～10mm。所述广泛适用于微型样品的单剪切性能测试方法，其特征在于：剪切样品配合剪切装置的样品槽5，样品为长方体形，样品的宽度w’和样品的厚度b’均比样品槽的宽度w和样品槽的厚度b小0.1mm，即是w’＝w-0.1；b’＝b-0.1，这样使得样品易于装卸；要求剪切样品表面的粗糙度小于0.8μm，相对表面的平行度小于20μm。所述广泛适用于微型样品的单剪切性能测试方法，具体的剪切操作为：将两个剪切偶即下剪切偶1和上剪切偶2的紧固连接部7分别固定布置在电子万能试验机上，然后使得两个剪切偶的配合对正部4紧密接触，且应将两个剪切偶的配合对正部4上设置的样品槽5对正布置；然后向样品槽5中装入样品，使得样品沿长度方向的中间截面恰好处于两个剪切偶的配合对正部4的接触面上；然后设定应变速率，试验机作用在剪切装置上的拉力通过剪切装置转化为作用在样品上的剪切力，最后在实验机上进行相应的剪切操作并采集实验数据。所述广泛适用于微型样品的单剪切性能测试方法，其特征在于：所述广泛适用于微型样品的单剪切性能测试方法中，在进行样品剪切试验时，采集并处理实验数据，最后可以得出工程剪切应力-滑移应变曲线；工程剪切应力和滑移应变的计算公式如下：工程剪切应力：τ＝f/(w’*b’)滑移应变：εs＝s/b’。本发明是在系统研究了材料剪切实验相关技术内容的基础上提出了一种借助于专门的剪切装置进行的可操作性更强、适用范围更广、技术效果更优的单剪切性能测试方法，尤其适合于传统剪切实验难以操作的微型样品。本发明相关的技术原理等内容简介如下：单剪切变形是从纯剪切变形演变而来，这是由于纯剪切的条件十分苛刻，所以在实际条件下，材料的剪切变形大多属于单剪切变形。单剪切变形可以分解成纯剪切变形、刚性旋转和拉伸/压缩变形，如附图6-8所示，图中[f]表示应变张量、γ和γp分别表示单剪切应变和纯剪切应变，三种变形状态的应变莫尔圆表示如附图9所示，图9中a、b、c分别表示纯剪切变形状态、刚性旋转变形状态和拉伸/压缩变形状态。对于金属板材，在单剪切变形破坏过程中会经历三个变形阶段，分别是弹性变形阶段、塑性变形阶段和撕断阶段，这三个阶段的变形和受力示意图如图10-12所示。弹性变形阶段材料内部少量位错开始滑移，此时材料处于弹性变形范围内；塑性变形阶段材料内部大量位错滑移，材料在剪切面处缓慢错开；在撕断阶段，材料已经承受不住外界的剪切力，材料在剪切面处发生瞬时错开发生断裂。本发明中所涉及到的相关参数符号、对应的术语及其数值单位如表1。表1相关参数符号说明符号术语单位τ剪切应力mpaτm剪切强度mpaf剪切试样承受的载荷nb剪切装置的样品槽厚度mmw剪切装置的样品槽宽度mmb’剪切样品的厚度mmw’剪切样品的宽度mml剪切样品的长度mms样品在剪切方向的位移mmεs剪切样品的滑移应变％本发明主要涉及两方面内容：剪切装置的设计和剪切样品的制备。剪切装置的设计首先是装置所用材料的选择，本发明所涉及的剪切装置所用材料的要求为：剪切装置所用材料的硬度不低于600hv，也就是在剪切变形的过程中，剪切装置是刚性的，没有宏观弹性变形，只有测定的材料发生剪切变形。其次是剪切装置的加工，采用车床加工一个φ38的圆柱并在两端加工螺纹；然后采用线切割的方式在圆柱沿高度方向的中心位置垂直于轴线开一个贯穿直径方向的样品槽5，样品槽5必须与装置的轴线垂直，且样品槽5宽度的相对面和厚度相对面的平行度小于40μm；然后采用线切割的方式将圆柱切为等同的两个剪切偶；最后用砂纸打磨两个剪切偶的接触面，使得其粗糙度小于0.8μm。得到的剪切装置一个剪切偶的形状和尺寸如附图13-15所示。附图13-15中样品槽5的宽度w和样品槽5的厚度b是可调的，具体在实施方案时可根据实际的产品或构件的尺寸来确定样品的尺寸，进而确定样品槽5的尺寸，对于尺寸过大的构件可以在构件上截取尺寸适合的样品。所以，此装置可以用来测定各种尺寸的产品和构件的剪切性能，这就使得此剪切装置适用范围得到很大提高。剪切样品的形状和尺寸如图16所示，样品均为长方体。图16中样品的宽度w’和厚度b’是与剪切装置的样品槽的尺寸相匹配的。实际实验时，为了方便装卸样品，先根据产品或构件的尺寸确定样品槽5的尺寸，再根据样品槽5的尺寸确定样品的尺寸。样品的宽度w’和样品的厚度b’均比样品槽5的宽度w和样品槽5的厚度b小0.1mm，即是w’＝w-0.1；b’＝b-0.1。样品的长度l是可调的，可根据实际的产品或构件来确定样品的长度，但是样品的长度不要小于8mm，否则剪切过程中容易失稳。样品的制备流程和要求如下：首先确定要测定的剪切面和剪切方向，对于本发明的长方体形样品，剪切面即是样品的横截面，剪切方向沿着样品厚度方向；其次根据实际剪切装置的样品槽5的尺寸确定样品的尺寸；然后采用线切割的方式加工尺寸适合的毛坯料(毛坯料留有一定的加工余量)；最后经过粗砂纸和细砂纸逐一进行打磨(最后所用砂纸为2000#)，使得样品沿长度方向的四个侧面没有线切割痕迹，表面的粗糙度小于0.8μm，相对表面的平行度小于20μm。在进行剪切实验时，只需要将剪切装置安装在任意一台电子万能试验机上，然后将剪切样品装入剪切装置的样品槽5中，使得剪切装置的上下剪切偶紧密贴合在一起，采用拉伸的方式实现剪切力的加载，实验机作用在剪切装置上的拉力即是剪切装置作用在样品上的剪切力，在剪切实验过程中，整个装置的中心面剖图和样品受力示意图如图17、图18所示，图17中附图标记1、2、3分别表示下剪切偶、上剪切偶和被剪切的样品。最后设定要求的应变速率即可进行相应的剪切实验。本发明设计了一种可操作性强，技术效果优良的广泛适用于微型样品的单剪切性能测试方法，尤其适用于微型样品的单剪切性能测试实验。其具有适用性广，方法简单，易于操作，成本低，技术效果优良的突出特点。在此基础上还可以拓展得到更多的延伸应用。本发明具有可预期的较为巨大的经济价值和社会价值。附图说明下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：图1为典型的螺栓受到剪切力作用的对应结构简单示意图；图2为对应图1的受力分析图；图3为典型的铆钉受到剪切力作用的对应结构简单示意图；图4为对应图3的受力分析图；图5为行业标准中板材单剪切样品尺寸图；图6为属于单剪切的其中一种纯剪切的变形状态以及相应的应变张量[f]示意图；图7为属于单剪切的其中一种刚性旋转的变形状态示意图；图8为属于单剪切的其中一种拉伸/压缩的变形状态以及相应的应变张量[f]示意图；图9为单剪切包括的三种变形状态相对应的应变莫尔圆示意图；图10为金属板材剪切破坏三个阶段之一“弹性变形阶段”的变形和受力示意图；图11为金属板材剪切破坏三个阶段之二“塑性变形阶段”的变形和受力示意图；图12为金属板材剪切破坏三个阶段之三“撕裂阶段”的变形和受力示意图；图13为剪切装置的一个剪切偶的形状和尺寸图的主视图；图14为剪切装置的一个剪切偶的形状和尺寸图的左视图；图15为剪切装置的一个剪切偶的形状和尺寸图的俯视图；图16为剪切样品形状和尺寸图；图17为剪切过程中样品结构示意图(装有样品的装置中心面剖视图)其中1是下剪切偶；2是上剪切偶；3是样品；图18为剪切过程中样品受力示意图；图19为zr-4合金工程剪切应力-滑移应变曲线；图20为zr-4合金剪切断口形貌；图21为2a12铝合金工程剪切应力-滑移应变曲线；图22为2a12铝合金剪切断口形貌；图23为tu0工程剪切应力-滑移应变曲线；图24为tu0剪切断口形貌。具体实施方式实施例1一种广泛适用于微型样品的单剪切性能测试方法，使用满足下述要求的剪切装置：剪切装置为刚性结构，其具体为两个中心对称结构的剪切偶即下剪切偶1和上剪切偶2二者配对组合构成，配对使用的下剪切偶1和上剪切偶2是由一个圆柱体材料切割加工而成；单个剪切偶的结构如下：紧固连接部7、基础部6、配合对正部4；其中，基础部6为圆柱体形状，紧固连接部7、配合对正部4沿基础部6的轴向分别布置在其两端；配合对正部4为沿圆柱体垂直于轴线所在某平面沿直径半剖开后剩余的半个圆柱体结构；紧固连接部7、基础部6、配合对正部4三者固定连接为整体的一体化结构；两个剪切偶即下剪切偶1和上剪切偶2二者配对时二者的配合对正部4紧密接触使得两个剪切偶共同构成圆柱体形状的结构；两个剪切偶的配合对正部4上设置有垂直于轴线的贯穿的长方体形样品槽5。剪切装置中的紧固连接部7设置有螺纹连接结构；剪切装置所用材料的硬度不低于600hv。样品槽5的宽度w和厚度b是可以根据实际检测实物的尺寸来确定，使得本发明的适用范围大大增加。一般情况下，w＝2～20mm，b＝1～10mm。剪切样品配合剪切装置的样品槽5，样品为长方体形，样品的宽度w’和样品的厚度b’均比样品槽的宽度w和样品槽的厚度b小0.1mm，即是w’＝w-0.1；b’＝b-0.1，这样使得样品易于装卸；要求剪切样品表面的粗糙度小于0.8μm，相对表面的平行度小于20μm。所述广泛适用于微型样品的单剪切性能测试方法，具体的剪切操作为：将两个剪切偶即下剪切偶1和上剪切偶2的紧固连接部7分别固定布置在电子万能试验机上，然后使得两个剪切偶的配合对正部4紧密接触，且应将两个剪切偶的配合对正部4上设置的样品槽5对正布置；然后向样品槽5中装入样品，使得样品沿长度方向的中间截面恰好处于两个剪切偶的配合对正部4的接触面上；然后设定应变速率，试验机作用在剪切装置上的拉力通过剪切装置转化为作用在样品上的剪切力，最后在实验机上进行相应的剪切操作并采集实验数据。所述广泛适用于微型样品的单剪切性能测试方法中，在进行样品剪切试验时，采集并处理实验数据，最后可以得出工程剪切应力-滑移应变曲线；工程剪切应力和滑移应变的计算公式如下：工程剪切应力：τ＝f/(w’*b’)滑移应变：εs＝s/b’本实施例是在系统研究了材料剪切实验相关技术内容的基础上提出了一种借助于专门的剪切装置进行的可操作性更强、适用范围更广、技术效果更优的单剪切性能测试方法，尤其适合于传统剪切实验难以操作的微型样品。本实施例相关的技术原理等内容简介如下：单剪切变形是从纯剪切变形演变而来，这是由于纯剪切的条件十分苛刻，所以在实际条件下，材料的剪切变形大多属于单剪切变形。单剪切变形可以分解成纯剪切变形、刚性旋转和拉伸/压缩变形，如附图6-8所示，图中[f]表示应变张量、γ和γp分别表示单剪切应变和纯剪切应变，三种变形状态的应变莫尔圆表示如附图9所示，图9中a、b、c分别表示纯剪切变形状态、刚性旋转变形状态和拉伸/压缩变形状态。对于金属板材，在单剪切变形破坏过程中会经历三个变形阶段，分别是弹性变形阶段、塑性变形阶段和撕断阶段，这三个阶段的变形和受力示意图如图10-12所示。弹性变形阶段材料内部少量位错开始滑移，此时材料处于弹性变形范围内；塑性变形阶段材料内部大量位错滑移，材料在剪切面处缓慢错开；在撕断阶段，材料已经承受不住外界的剪切力，材料在剪切面处发生瞬时错开发生断裂。本实施例中所涉及的相关参数符号、对应的术语及其数值单位如表1。表1相关参数符号说明符号术语单位τ剪切应力mpaτm剪切强度mpaf剪切试样承受的载荷nb剪切装置的样品槽厚度mmw剪切装置的样品槽宽度mmb’剪切样品的厚度mmw’剪切样品的宽度mml剪切样品的长度mms样品在剪切方向的位移mmεs剪切样品的滑移应变％本实施例主要涉及两方面内容：剪切装置的设计和剪切样品的制备。剪切装置的设计首先是装置所用材料的选择，本实施例所涉及的剪切装置所用材料的要求为：剪切装置所用材料的硬度不低于600hv，也就是在剪切变形的过程中，剪切装置是刚性的，没有宏观弹性变形，只有测定的材料发生剪切变形。其次是剪切装置的加工，采用车床加工一个的圆柱并在两端加工螺纹；然后采用线切割的方式在圆柱沿高度方向的中心位置垂直于轴线开一个贯穿直径方向的样品槽5，样品槽5必须与装置的轴线垂直，且样品槽5宽度的相对面和厚度相对面的平行度小于40μm；然后采用线切割的方式将圆柱切为等同的两个剪切偶；最后用砂纸打磨两个剪切偶的接触面，使得其粗糙度小于0.8μm。得到的剪切装置一个剪切偶的形状和尺寸如附图13-15所示。附图13-15中样品槽5的宽度w和样品槽5的厚度b是可调的，具体在实施方案时可根据实际的产品或构件的尺寸来确定样品的尺寸，进而确定样品槽5的尺寸，对于尺寸过大的构件可以在构件上截取尺寸适合的样品。所以，此装置可以用来测定各种尺寸的产品和构件的剪切性能，这就使得此剪切装置适用范围得到很大提高。剪切样品的形状和尺寸如图16所示，样品均为长方体。图16中样品的宽度w’和厚度b’是与剪切装置的样品槽的尺寸相匹配的。实际实验时，为了方便装卸样品，先根据产品或构件的尺寸确定样品槽5的尺寸，再根据样品槽5的尺寸确定样品的尺寸。样品的宽度w’和样品的厚度b’均比样品槽5的宽度w和样品槽5的厚度b小0.1mm，即是w’＝w-0.1；b’＝b-0.1。样品的长度l是可调的，可根据实际的产品或构件来确定样品的长度，但是样品的长度不要小于8mm，否则剪切过程中容易失稳。样品的制备流程和要求如下：首先确定要测定的剪切面和剪切方向，对于本发明的长方体形样品，剪切面即是样品的横截面，剪切方向沿着样品厚度方向；其次根据实际剪切装置的样品槽5的尺寸确定样品的尺寸；然后采用线切割的方式加工尺寸适合的毛坯料(毛坯料留有一定的加工余量)；最后经过粗砂纸和细砂纸逐一进行打磨(最后所用砂纸为2000#)，使得样品沿长度方向的四个侧面没有线切割痕迹，表面的粗糙度小于0.8μm，相对表面的平行度小于20μm。在进行剪切实验时，只需要将剪切装置安装在任意一台电子万能试验机上，然后将剪切样品装入剪切装置的样品槽5中，使得剪切装置的上下剪切偶紧密贴合在一起，采用拉伸的方式实现剪切力的加载，实验机作用在剪切装置上的拉力即是剪切装置作用在样品上的剪切力，在剪切实验过程中，整个装置的中心面剖图和样品受力示意图如图17、图18所示，图17中附图标记1、2、3分别表示下剪切偶、上剪切偶和被剪切的样品。最后设定要求的应变速率即可进行相应的剪切实验。本实施例设计了一种可操作性强，技术效果优良的广泛适用于微型样品的单剪切性能测试方法，尤其适用于微型样品的单剪切性能测试实验。其具有适用性广，方法简单，易于操作，成本低，技术效果优良的突出特点。在此基础上还可以拓展得到更多的延伸应用。本实施例具有可预期的较为巨大的经济价值和社会价值。实施例2在使用实施例1所述广泛适用于微型样品的单剪切性能测试装置的基础上，进行zr-4合金管坯剪切性能的测定：zr-4合金是美国开发研制的，其名义成分为zr-1.5sn-0.2fe-0.1cr，该合金具有优良的抗腐蚀性能，广泛应用于压水堆和重水堆燃料的包壳材料。选择h13钢作为剪切装置所用的材料(硬度为620hv)，按照图13-15加工剪切装置，其中样品槽的宽度w＝8mm，厚度b＝2mm。对于zr-4合金，按照图16加工剪切样品，样品的长度l＝20mm，宽度w’＝7.9mm，厚度b’＝1.9mm。将加工好的剪切装置安装在sans-cmt5205电子万能试验机上，剪切样品装入剪切装置的样品槽中，使得剪切装置的上下剪切偶紧密贴合在一起，应变速率0.001s-1(这里的应变速率可以根据实际要求进行调整，但是不要超过1s-1)，然后进行剪切操作。根据试验机采集到的载荷-位移数据，通过公式计算得出工程剪切应力-滑移应变的数据，再通过软件origin8.0绘制出工程剪切应力-滑移应变曲线。工程剪切应力和滑移应变的计算公式如下：工程剪切应力：τ＝f/(w’*b’)滑移应变：εs＝s/b’最后得出的zr-4合金的工程剪切应力-滑移应变曲线如附图19所示。根据附图19可知，zr-4合金的剪切强度(τm)约为390mpa，断裂时的滑移应变约为46％，也即是当此zr-4合金受到约390mpa的剪切应力材料就会出现剪切断裂。所以根据此发明的剪切方法得出的工程剪切应力-滑移应变曲线能很好地评价zr-4合金的剪切性能。用sem观察剪切断口，剪切断口较平整，能观察到明显的剪切滑移带，是典型的剪切断口，如附图20所示。实施例3在使用实施例1所述广泛适用于微型样品的单剪切性能测试装置的基础上，进行2a12铝合金板材剪切性能测定：2a12铝合金主要合金元素为cu，此牌号的铝合金具有良好的成形性能和机械加工性能，能获得各种类型的制品，是应用最广泛的铝合金之一。测定2a12铝合金剪切性能，同样选用实施例1中的剪切装置，剪切样品长度l＝15mm，宽度w＝7.9mm，厚度b＝1.9mm。重复实施例1中的剪切实验方法，最后得出2a12铝合金的工程剪切应力-滑移应变曲线，如附图21所示。根据附图21可知，2a12铝合金的剪切强度(τm)约为240mpa，断裂时的滑移应变约为51％。用sem观察剪切断口，断口形貌为典型的剪切断口，如附图22所示。实施例4在使用实施例1所述广泛适用于微型样品的单剪切性能测试装置的基础上，进行tu0纯铜片剪切性能测定：tu0纯铜片有着优良的导电性能，被广泛应用于导电和传感器构件。测定tu0纯铜片的剪切性能，同样选用实施例1中的剪切装置。剪切样品长度l＝16mm，宽度w＝7.5mm，厚度b＝1.2mm。重复实施例1中的剪切实验方法，最后得出tu0纯铜片的工程剪切应力-滑移应变曲线，如附图23所示。根据附图23可知，tu0纯铜片的剪切强度(τm)约为120mpa，断裂时的滑移应变约为48％。用sem观察剪切断口，断口形貌为典型的剪切断口，如附图24所示。综合以上实施例的实验结果，本发明设计的微型样品的单剪切性能测试方法能很好地测定材料的剪切性能，能很好地为工程实际提供理论依据。当前第1页12