一种抗拉强度测试方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及材料力学特性测试技术领域，尤其涉及一种用于对抗压强度与抗拉强 度的比值小于5的待测材料（例如石墨材料）的抗拉强度进行测试的抗拉强度测试方法及 装置。
【背景技术】
[0002] 石墨材料由于其特有的材料特性，被广泛应用于现代工业的各个领域，例如，被用 于第四代核反应堆慢化体材料。抗拉强度（拉伸强度）是石墨材料重要的机械性能，准确 地测量石墨材料的抗拉强度对于石墨材料的研究和应用意义重大。一般来说，石墨材料的 抗拉强度由直接拉伸法测得，如美国ASTM C749_08Standard Test Method for Tensile Stress-Strain of Carbon and Graphite，德国 DIN51914_2009Testing of carbonaceous materials-Determination of tensile strength solid materials，以及中国 JB/T 8133.9-1999电炭制品物理化学性能试验方法-抗拉强度。然而，对于应用于核反应堆 的石墨材料，需要对其在辐照环境下的抗拉强度进行测试，直接拉伸法的测试样品太大 (如 ASTM C749_08Standard Test Method for Tensile Stress-Strain of Carbon and Graphite中所规定的样品最小尺寸为：Φ 12. 95*120. 65mm，哑铃形），难以放进福照仓中。 此外，直接拉伸法样品加工和测试系统非常复杂，两端需要样品夹持装置，并通过链条与试 验机连接，难以用于高温下石墨抗拉强度测试。因此，亟需一种对样品尺寸、形状要求较低 抗拉强度测试方法，从而可对石墨材料在辐照环境下的抗拉强度进行准确便捷地测试。
【发明内容】
[0003] 本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种抗拉强度测试方法 及装置，对样品尺寸、形状要求较低，可用于石墨材料在辐照环境下的抗拉强度测试。
[0004] 本发明所采用的技术方案具体如下：
[0005] -种抗拉强度测试方法，用于测试抗压强度与抗拉强度的比值小于5的待测材料 的抗拉强度，使用巴西圆盘劈裂法测试所述待测材料的抗拉强度；在进行巴西圆盘劈裂法 测试时，利用一对带有V型凹槽的测试夹具对圆盘状待测材料样品的直径方向施加压力载 荷；所述V型凹槽包括位于凹槽底部的圆弧部以及沿圆弧部两端切线方向延长的延长部； 所述圆弧部为一段直径与圆盘状待测材料样品的直径相同，角度为20°~40°的一段圆 弧；所述V型凹槽的侧厚等于或大于圆盘状待测材料样品的厚度。
[0006] 优选地，所述圆弧部的角度为30°。
[0007] 优选地，所述待测材料为石墨材料。
[0008] 优选地，所述圆盘状待测材料样品的厚度/直径比范围为0. 2~1。
[0009] 优选地，所述V型凹槽的开口宽度等于或大于圆盘状待测材料样品的直径。
[0010] 根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：
[0011] -种抗拉强度测试装置，用于通过对圆盘状待测材料样品的直径方向施加压力载 荷来测试抗压强度与抗拉强度的比值小于5的待测材料的抗拉强度，其特征在于，所述装 置包括压力测试机以及对称设置于压力测试机上、下压板上的一对带有V型凹槽的测试夹 具，所述V型凹槽包括位于凹槽底部的圆弧部以及沿圆弧部两端切线方向延长的延长部； 所述圆弧部为一段直径与圆盘状待测材料样品的直径相同，角度为20°~40°的一段圆 弧；所述V型凹槽的侧厚等于或大于圆盘状待测材料样品的厚度。
[0012] 优选地，所述圆弧部的角度为30°。
[0013] 优选地，所述待测材料为石墨材料。
[0014] 优选地，所述圆盘状待测材料样品的厚度/直径比范围为0. 2~1。
[0015] 相比现有技术，本发明具有以下有益效果：
[0016] 本发明对待测样品的尺寸、形状要求较低，待测样品可放入辐照仓，从而适用于石 墨材料在辐照环境下的抗拉强度测试；且本发明测试过程简单，测试结果准确；
[0017] 本发明通过对测试夹具的改进，克服了由于圆盘样品受力点处先于样品中心处失 效所导致的样品不能沿直径方向劈裂的问题，极大地扩展了现有用于岩石抗拉强度测试的 巴西圆盘劈裂法的适用范围，为材料力学特性测试技术指出了一条新的道路。
【附图说明】
[0018] 图1为用现有巴西圆盘劈裂法测试岩石样品的原理示意图；
[0019] 图2为本发明方法测试石墨样品的原理示意图；
[0020] 图3为分别用本发明测试装置、现有岩石拉伸强度测试装置测试石墨样品时，样 品中的应力分布对比。
[0021] 图中标号含义如下：
[0022] 1、2分别为上、下测试夹具，3为圆盘状待测材料样品，4为导向杆。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
[0024] 本发明针对现有直接拉伸法所存在的不足，创造性地将现有应用于岩石拉伸强度 测量的巴西圆盘劈裂法引入金刚石、石墨等抗压强度与抗拉强度的比值小于5的材料的抗 拉强度测试，并通过对测试夹具的改进，克服了由于圆盘样品受力点处先于样品中心处失 效所导致的样品不能沿直径方向劈裂的问题。
[0025] 为了便于公众理解，在对本发明技术方案进行详细说明前，先对现有巴西圆盘劈 裂法进行简要介绍。
[0026] 劈裂法源于水泥和岩石等脆性材料抗拉强度测试，由于其最初由一位巴西科学家 基于弹性力学理论提出，因此又称之为巴西劈裂法或者巴西圆盘劈裂法。其基本测试原理 如图1所示，用两块平板对一个圆盘样品沿直径方向压缩，样品圆盘中心位置受拉伸而破 裂，从而可间接测定样品的抗拉强度。抗拉强度σρ可按照以下公式计算得到：
[0028] 式中，F为圆盘状待测材料样品劈裂时所加载的压力载荷，单位为牛顿；Φ为圆盘 状待测材料样品的直径，t为圆盘状待测材料样品的厚度。
[0029] 对于一个成功的劈裂拉伸试验，样品必须首先从中心起裂，并且沿着应力加载方 向扩展。由于岩石的抗压强度是抗拉强度的10倍左右，抗压强度和抗拉强度比值大，可保 证测试中，岩石样品接触点处因抗压强度而失效前，圆盘样品中心处因抗拉强度已经失效。 因此，巴西圆盘劈裂法适用于像岩石材料这样抗压强度与抗拉强度比值较大的材料的拉伸 强度测试，国际岩石力学学会（ISRM)在1978年将该方法推荐为岩石抗拉强度的测试方法， 国外及国内的很多组织机构也将该方法作为岩石抗拉强度的标准测试方法。
[0030] 然而，对于抗压强度与抗拉强度比值较小，尤其是该比值小于5的材料，例如石墨 材料（其抗压强度与抗拉强度比值在4左右），在沿圆盘样品径向施加压力载荷时，在圆盘 样品中心处因抗拉强度而失效之前，圆盘样品接触点处就因为较小的抗压强度而失效，表 现为接触点处先粉碎从而无法使圆盘样品沿径向劈裂，无法满足巴西圆盘劈裂法所适用的 条件。实际的理论分析及实验也验证了这一点。因此，尽管巴西圆盘劈裂法相比直接拉伸 测试具有诸多优点，但目前仅在岩石类材料的拉伸强度测试中被广泛应用，无法应用于抗 压强度与抗拉强度的比值小于5的材料的拉伸测试。虽然很多研究者对巴西圆盘劈裂法的 机理进行了大量研究，也提出了很多改进方案，但都未突破上述条件的限制，从而限制了劈 裂法应用范围的扩展。
[0031] 本发明的思路是通过对测试夹具的改进来改变载荷施加过程中圆盘样品接触点 处的应力分布，从而使得抗压强度与抗拉强度比值较小材料在进行劈裂法测试时，仍可满 足圆盘样品中心处先于接触点处失效的限制条件，