小尺寸构件断裂性能测试方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及材料力学实验装置技术领域。
【背景技术】
[0002]断裂性能是衡量构件抵抗断裂破坏行为的重要力学性能参量，在工程构件的结构完整性评定中起着至关重要的作用。对于含I型张开裂纹的结构件，获取其断裂性能的传统方法是采用紧凑拉伸或单边裂纹弯曲等标准断裂试样通过拉伸或三点弯曲的加载方式进行测试。由于试样的构形特征，该类标准断裂试样的尺寸通常较大，从而要求被测构件的尺寸也相应较大，由此才能有效测定构件的断裂性能。对于原始尺寸较小的构件，目前尚无有效的断裂性能检测技术。
[0003]Williams JG.The fracture mechanics of surface layer removal.1nternat1nal Journal of Fracture, 2011, 170:37-48.基于机械加工中切削理论提出了以楔入加载方式测定低屈服应力延性非金属材料断裂性能的切割法。如图1所示，在该技术方案中，因切割工具可直接接触到试样的裂纹尖端而无需进行疲劳裂纹预制，同时试样尺寸也不受限制。但是，该技术方案仅适合于测定非金属无裂纹构件断裂时的能量释放率，无法应用于含裂纹金属构件的断裂性能测定。
[0004]在混凝土断裂性能的检测中，一种楔入劈拉(Wedge-SpIitting)法得到了广泛应用。Xiao JZ, Schneider H, Donnercke C，Konig G.Wedge splitting test onfracture behav1r of ultra high strength concrete.Construct1n and BuildingMaterials, 2004，18:359-365.图2为典型的楔入劈拉法试验系统。该技术方案采用楔形加载板和带滚轴的传力板将施加的竖向载荷转换为对试样的水平拉力，一方面可以忽略试样自重对断裂性能测量结果的影响，另一方面仅需较小的竖向力便可产生较大的水平拉力，从而降低对试验机刚度的要求。然而，该技术方案因带滚轴传力板的设计不能用于小尺寸金属构件的断裂性能检测。
【发明内容】
[0005]本发明的目的之一是提供一种实现小尺寸金属构件断裂性能测试的装置。
[0006]此发明目的是通过如下的手段实现的。
[0007]—种小尺寸构件断裂性能测试装置，用于小尺寸金属构件的断裂性能检测，其特征在于，由加载头100、传力销200、载荷转换组件300、滑车400、抗弯拉板500和支承底座600六部分通过榫卯结构和螺栓连接成刚性整体，从而构成用于将加载头100施加的竖向载荷转换为横向载荷并传递给C形试样100的加载传力机构，并在载荷转换组件300上设置通过加载头100的抗弯拉板500以限制传力销200因受弯而产生横向变形；
[0008]所述加载头100两侧的楔形体101对称布置，楔形体101上斜面的倾角相同?’传力销200为台柱式结构，上部为半圆柱与3/4圆柱式加载辊203的组合体；顶部榫头201同抗拉拉板500连接，底部设梯形榫头202和对称布置的两个通孔与滑车400刚性连接；加载辊203同C形环试样的加载孔配合；
[0009]所述载荷转换组件300为台柱式结构，顶部榫头301同抗拉拉板500连接，底部设梯形榫头302和对称布置的两个通孔与滑车400刚性连接，其上部沿与竖向成一定倾角的方向布置两个相同规格的轴承303，轴承303中心连线的倾角与加载头100中楔形体101的倾角保持一致；
[0010]所述滑车400左右两侧为分别与传力销200梯形榫头201和载荷转换组件300梯形榫头301紧密配合的梯形开口和螺纹孔，滑车上对称布置4个相同规格的滚动轴承401，以降低C形试样700横向加、卸载时的摩擦阻力；滑车在靠近载荷转换组件连接的一侧开设与梯形开口连通的方形孔402，以便加载头100的楔形体101竖向通过；
[0011 ] 所述抗弯拉板500设置有与传力销200的顶部榫头201和载荷转换组件300的顶部榫头301紧密配合的槽孔，同时设置有便于加载头100的楔形体101竖向通过的方形孔；
[0012]所述支承底座600上的方形槽为加载头100的楔形体101的竖向运动预留空间，孔的宽度和深度综合楔形体101的厚度、滑车400上4个滚动轴承的间距和C形环试样张开量等因素设计确定。
[0013]本发明的另一目的是提供一种小尺寸金属构件断裂性能测试的方法。采用以下的手段实现发明目的。
[0014]小尺寸构件断裂性能测试方法，其特征在于，采用权利要求1或2的装置进行小尺寸金属构件的断裂性能检测，包括如下的步骤:
[0015](I)横向载荷标定
[0016]横向载荷的标定遵循以下步骤:
[0017]a)根据一对标定器800的尺寸设计板状拉伸试样的尺寸规格，并选用已知弹性模量的金属材料加工至少二对规格相同的板状拉伸试样，并将该两个相同规格的拉伸试样安装在标定器800上，同时分别在试样上安装应变计；
[0018]b)将安装好试样的标定器置于加载装置中；
[0019]c)根据胡克定律计算板状拉伸试样的载荷并求和，即得横向张开载荷；作出施加的竖向楔入载荷同横向张开载荷之间的线性关系曲线，由此曲线确定竖向载荷同横向张开载荷之间的转换比；
[0020]d)另至少取一对相同规格的板状拉伸试样完成上述弹性加载，并获得竖向载荷同横向张开载荷之间的转换比；对由多组弹性标定得到的转换比值取平均值，即得本测试系统的载荷转换比；
[0021](2) C形环试样断裂测试
[0022]C形环试样的断裂测试遵循以下步骤:
[0023]a)将对称布置的传力销200穿过C形环试样700，传力销上的加载辊203与C形环试样的加载孔701配合，在C形环试样刀口 703位置处安装监测C形环试样700在横向张开过程中的位移值的位移传感器；
[0024]b)记录加载过程中加载头100的竖向载荷F和C形环试样700的水平张开位移V，由已标定的载荷转换比换算得到C形环试样700的水平张开载荷Fh;
[0025]根据传统的多试样法、柔度法或载荷分离法等理论直接或间接获得C形环试样在加载过程中的实时裂纹长度a，进而根据C形环试样的(FH，V，a)实验记录求得被测金属材料的应力强度因子K、J积分、CTOD和疲劳裂纹扩展速率等断裂性能。
[0026]采用本发明的装置和方法，可以方便地实现小尺寸金属构件的断裂性能测试，特别地，可实现C形环试样的弹性循环加载，效果理想。本发明原理清晰，结构简单，制作方便。本发明若用于大尺寸金属构件的断裂性能测试，可以达到节省试验材料降低实验成本的效果。
【附图说明】
[0027]图1为现有技术切割法示意图
[0028]图2为现有技术楔入劈拉法示意图
[0029]图3本发明C形环试样结构图
[0030]图4本发明加载头结构图
[0031]图5本发明加载头结构图
[0032]图6本发明载荷转换组件结构图
[0033]图7本发明滑车结构图
[0034]图8本发明抗弯拉板结构图
[0035]图9本发明支承底座结构图
[0036]图10 C形环试样断裂加载示意图
[0037]图11传力机构装配图
[0038]图12标定器结构图
[0039]图13横向载荷标定示意图
【具体实施方式】
[0040]下面结合附图对本发明的装置和方法做进一步的详述。
[0041]加载装置由加载头100 (图4)、传力销200 (图5)、载荷转换组件300 (图6)、滑车400 (图7)、抗弯拉板500 (图8)和支承底座600 (图9)六部分构成，图10给出了 C形环试样断裂测试加载的示意图。
[0042]加载头100两侧的楔形体101对称布置，楔形体101上斜面的倾角相同，倾角的大小直接决定C形试样横向张开载荷同竖向楔入载荷之间的转换比例。加载头100由高强高硬材料制成，其表面应作耐磨处理。加载头100上楔形体101尾部安装可拆卸的限位杆，以限制加载头100竖向楔入过程中楔形体101尾部的弹性变形。
[0043]传力销200为台柱式结构，顶部榫头201同抗拉拉板500连接，底部设梯形榫头202和对称布置的两个通孔与滑车400刚性连接。传力销200上部为半圆柱与3/4圆柱式加载辊203的组合体结构，加载辊203同C形环试样的加载孔配合。
[0044]载荷转换组件300为台柱式结构，顶部榫头301同抗拉拉板500连接，底部设梯形榫头302和对称布置的两个通孔与滑车400刚性连接。载荷转换组件300上部沿与竖向成一定倾角的方向布置两个相同规格的轴承303，轴承303中心连线的倾角与加载头100中楔形体101的倾角保持一致。轴承303必须为精密加工且具有足够的刚度和硬度的滑动轴承，不能采用从市场购买的成品滚动轴承。
[0045]滑车400左右两侧为分别与传力销200梯形榫头201和载荷转换组件300梯形榫头301紧密配合的梯形开口和螺纹孔。滑车上对称布置4个相同规格的滚动轴承401，以降低C形试样700横向加、卸载时的摩擦阻力。在靠近载荷转换组件连接的一侧开设与梯形开口连通的方形孔402，以便加载头100的楔形体101竖向通过。
[0046]传力销200、载荷转换组件300和滑车400通过设置的榫卯结构和螺栓连接成一个刚性整体，从而构成用于将加载头100施加的竖向载荷转换为横向载荷并传递给C形试样100的传力机构(图11)。
[0047]抗弯拉板500设置有与传力销200的顶部榫头201和载荷转换组件300的顶部榫头301紧