一种基于液压致裂法的脆性材料拉伸强度测试系统及方法与流程

本发明涉及材料力学性能技术领域，具体涉及一种基于液压致裂法的脆性材料拉伸强度测试系统及方法。

背景技术：

拉伸强度是材料力学性能的重要参数，对于脆性材料，其拉伸强度小于压缩强度，因此其拉伸强度的测试更为重要。拉伸强度的测试方法主要包含基于拉伸试样的直接拉伸法和间接拉伸法。直拉法是一种广泛应用的材料拉伸强度测试方法，直接获得材料的拉伸强度，其形成了诸多的国家标准，但试验前需要将材料加工成哑铃状，制样工序多、耗时长、材料利用率低而且试样装夹中容易出现偏心影响实验结果，并且也使得在材料配方研制时期样品测试成本较高。为了克服这些问题，发展了以巴西试验为代表的间接拉伸法，其可快速评价材料拉伸强度，具有操作简便、试样用料少等特点。但是由于巴西试验起裂位置并非单轴应力状态，对于非线弹性材料、静水压力相关材料的测试误差较大。因此，目前缺少一种既能保证测试精度、又能保证测试效率的材料拉伸强度测试方法。

技术实现要素：

本发明的目的是为了弥补直拉法测试效率不高，而间接拉伸法精度欠佳的不足，提供一种基于液压致裂法的可应用于脆性材料拉伸强度测试的新方法，该方法能在保证测试精度的条件下显著缩短试样准备周期，提高测试效率，同时还具有测试简单、试样用料少且对试样形貌尺寸要求少等特点。

为了达到上述技术效果，本发明采用如下技术方案：

一种基于液压致裂法的脆性材料拉伸强度测试系统，所述系统包括计算机、控制器、伺服液压加载系统、致裂针头和压力传感器，所述计算机用于将加压指令发送给控制器，所述控制器用于将指令下发给伺服液压加载系统，所述伺服液压加载系统用于对致裂针头施加压力，所述致裂针头作用在炸药结构件上，致裂针头处的压力变化通过压力传感器采集至控制器并由控制器反馈至计算机。

本发明还提供了一种基于液压致裂法的脆性材料拉伸强度测试方法，先在待测试样上钻取钻孔，将致裂针头放入钻孔内并密封，通过计算机向控制器发送加压指令使伺服液压加载系统对管路施加压力，此时致裂针头处的压力变化通过压力传感器采集至控制器并反馈至计算机，随着压力逐渐增大，试样孔壁破裂，由破裂时管路压力即可得到该试样的拉伸强度。

进一步的技术方案为，所述试样的尺寸大于钻孔孔径的1.5倍。

支撑原理如下：在试样上钻孔，并由孔内部施加均匀压力，其理论模型为：假设在无限大平面内有一半径r的圆孔，孔内受均匀内压p作用且无外场应力作用(如图2)，圆孔附近的应力状态为：

式中：σr、σθ分别为孔壁径向应力和切向应力，mpa；p为孔内液体压力，mpa；r为到圆心o的距离，mm；r为小孔半径，mm。

可见，σr是压应力(负值)，σθ为拉应力(正值)。当r等于r时(即孔壁处)，σr达到最大压应力，σθ达到最大拉应力，即：

σr＝-p,σθ＝p(2)

由于脆性材料的拉伸强度小于压缩强度，当内压不断增加到材料的拉伸强度时，孔壁将最先出现破裂(即孔壁切向应力达到材料的抗拉强度)，此时有：

σθ＝σt＝pb(3)

式中：σt为材料的拉伸强度，mpa；pb为破裂压力，mpa。通过测量破裂压力就可确定脆性材料的拉伸强度，裂纹将随机出现在孔壁的最薄弱处。

测试试样尺寸需要满足“小孔口问题”的两个条件，即孔口尺寸远小于试样尺寸且孔边距试样边界较远(大于1.5倍孔口尺寸)。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：该方法对试样要求低(任意形貌试样均可，不需要刻意加工试样成哑铃状或者圆柱状等)，试样用量少(仅需要保证试样有效尺寸大于孔径1.5倍即可)，因此试样准备周期短，测试效率高。与此同时，试样是直接测试得到的孔壁处破坏应力，拉伸强度测试精度高。该法兼顾了直拉法的精度和间接拉伸法的效率。该方法不仅可用于脆性材料，也可用于其他在拉伸强度应力以下满足线弹性假设的材料。

附图说明

图1为液压致裂拉伸强度测试系统示意图；

图2为无限大平面受内压作用示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种基于液压致裂法的脆性材料拉伸强度测试系统，所述系统包括计算机、控制器、伺服液压加载系统、致裂针头和压力传感器，所述计算机用于将加压指令发送给控制器，所述控制器用于将指令下发给伺服液压加载系统，所述伺服液压加载系统用于对致裂针头施加压力，所述致裂针头作用在炸药结构件上，致裂针头处的压力变化通过压力传感器采集至控制器并由控制器反馈至计算机。

实施例2

一种基于液压致裂法的脆性材料拉伸强度测试方法，将任意形状试样钻出一定深度、致裂针头直径的孔洞，将致裂针头放入孔洞并对孔口进行密封。通过计算机将加压指令发送给控制器，控制器再将指令下发给执行单元(伺服液压加载系统)，液压油经液压管路传递到致裂针头和试样孔处，此时裂针头处的压力变化通过压力传感器采集至控制器以保证管路内压力的精确变化，同时控制器将压力反馈到计算机以便于人员对实验过程的监控。当致裂针头压力增大到材料拉伸强度时，试样孔壁发生破裂，测试结束，监测到的管路最大压力即为材料拉伸强度。

支撑原理如下：在试样上钻孔，并由孔内部施加均匀压力，其理论模型为：假设在无限大平面内有一半径r的圆孔，孔内受均匀内压p作用且无外场应力作用(如图2)，圆孔附近的应力状态为：

式中：σr、σθ分别为孔壁径向应力和切向应力，mpa；p为孔内液体压力，mpa；r为到圆心o的距离，mm；r为小孔半径，mm。

可见，σr是压应力(负值)，σθ为拉应力(正值)。当r等于r时(即孔壁处)，σr达到最大压应力，σθ达到最大拉应力，即：

σr＝-p,σθ＝p(2)

由于脆性材料的拉伸强度小于压缩强度，当内压不断增加到材料的拉伸强度时，孔壁将最先出现破裂(即孔壁切向应力达到材料的抗拉强度)，此时有：

σθ＝σt＝pb(3)

式中：σt为材料的拉伸强度，mpa；pb为破裂压力，mpa。通过测量破裂压力就可确定脆性材料的拉伸强度，裂纹将随机出现在孔壁的最薄弱处。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明专利的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进(如改变特征尺寸等)，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。