用于雙材料界面混合模態(tài)斷裂韌性測試的試件及測試方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于雙材料界面混合模態(tài)斷裂韌性測試的試件，包括由兩塊第一種材料塊和一塊第二種材料塊緊密結(jié)合共同組成一長方體，兩塊第一種材料塊分別緊密設(shè)置于第二種材料塊的兩側(cè)，且其中一塊第一種材料塊與第二種材料塊緊密結(jié)合面垂直于水平面，另一塊第一種材料塊與第二種材料塊緊密結(jié)合面與水平面之間有夾角，水平面之間有夾角的結(jié)合面上設(shè)置有預(yù)制裂紋。本發(fā)明同時還公開了該試件的制作及測試方法。本發(fā)明中的雙材料斜切口三點彎曲試件用于測試混合模態(tài)界面斷裂韌性，試件幾何形狀簡單，在普通的材料試驗機上用三點彎曲方法加載即可得到0～90°范圍內(nèi)的斷裂韌性值，尤其適合于脆性材料。
【專利說明】用于雙材料界面混合模態(tài)斷裂韌性測試的試件及測試方法
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及一種測試試件及測試方法，尤其是一種用于雙材料界面混合模態(tài)斷裂韌性測試的試件及測試方法。
【背景技術(shù)】
[0003]隨著各類功能材料、復合材料、結(jié)合材料等先進材料的工業(yè)應(yīng)用逐漸增多，由不同材料組成的界面力學行為越來越受到人們的重視。各類材料及結(jié)構(gòu)的結(jié)合部，如金屬/陶瓷結(jié)合界面、異種金屬結(jié)合界面、功能器件與承載構(gòu)件的結(jié)合界面等對材料或結(jié)構(gòu)整體的力學行為有著十分重要的影響。由于界面附近容易存在缺陷或產(chǎn)生應(yīng)力集中，結(jié)合材料容易在結(jié)合處或附近首先發(fā)生破壞。因此，結(jié)合材料的強度和壽命很大程度上取決于界面的強度和壽命特性。
[0004]與均質(zhì)材料裂紋類似，界面裂紋的開裂也分為三種類型，即張開型(I型)、滑移型(II型)和撕開型(III型)。裂紋的變形狀態(tài)是由這三種基本形式疊加得到的。與裂紋形態(tài)相對應(yīng)的斷裂臨界應(yīng)力強度因子分別被稱為I型Or1)、Ii型QQ和in型Or3)斷裂韌性。實際工程中的界面斷裂通常是1-1i型混合模態(tài)斷裂，模態(tài)的混合程度用相位角vik表示，W^arcXmxiKAd。因此要準確地定量評價界面結(jié)合強度必須完整地測量I型、Ii型和1-1i型混合模態(tài)下斷裂韌性。
[0005]目前有多種測量界面斷裂韌性的試件類型，最常用的有不對稱三點彎曲試件、單邊切口四點彎曲試件、不對稱四點彎曲試件、巴西圓盤試件、邊裂紋條形試件等，但這些試件都各有利弊。不對稱三點彎曲試件和單邊切口四點彎曲試件幾何外形簡單，但只能測量小范圍混合模態(tài)下的斷裂韌性；不對稱四點彎曲試件的制作也較為簡單，但需要制作專用加載裝置；巴西圓盤試件應(yīng)用非常廣泛，但對于某些脆性材料來說制作比較困難；邊裂紋條形試件不適合于一些斷裂韌性較低的脆性材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于雙材料界面混合模態(tài)斷裂韌性測試的試件及測試方法。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
一種用于雙材料界面混合模態(tài)斷裂韌性測試的試件，包括由兩塊第一種材料塊和一塊第二種材料塊緊密結(jié)合共同組成一長方體，兩塊第一種材料塊分別緊密設(shè)置于第二種材料塊的兩側(cè)，且其中一塊第一種材料塊與第二種材料塊緊密結(jié)合面垂直于水平面，另一塊第一種材料塊與第二種材料塊緊密結(jié)合面與水平面之間有夾角，與水平面之間有夾角的結(jié)合面上設(shè)置有預(yù)制裂紋。
[0008]所述兩塊第一種材料塊的底部各設(shè)有一根相互平行的支撐輥子。[0009]所述第二種材料塊的上部設(shè)有一根加載輥子。
[0010]所述加載棍子位于與水平面之間有夾角的結(jié)合面和試件底面交線的正上方。
[0011]所述兩根支撐輥子在試件長度方向上關(guān)于加載棍子對稱。
[0012]一種用于雙材料界面混合模態(tài)斷裂韌性測試的試件制作及測試方法，包括:
1)根據(jù)所測量材料的性質(zhì)試算，得到合適的試件參數(shù)；
2)根據(jù)計算出的試件參數(shù)制作試件；
3)進行三點彎曲加載；
4)計算斷裂時裂紋尖端的應(yīng)力強度因子與能量釋放率。
[0013]步驟I)的具體過程為:①確定三點彎曲加載的跨距、試件高度、裂紋長度、試件寬度以及兩種材料長度方向尺寸確定傾斜結(jié)合面的夾角的傾斜角變化范圍；③用有限元法計算相位角，建立傾斜角和裂紋尖端相位角的對應(yīng)關(guān)系，計算出能使相位角在0~90°之間變化的結(jié)合面傾斜角的范圍；在此范圍內(nèi)選擇5、個傾斜角以產(chǎn)生5、個相位角，對應(yīng)每個傾斜角制作5~10個試件。相位角的有限元計算法采用位移外推法、應(yīng)力外推法或交互積分法。
[0014]所述三點彎曲加載的跨距根據(jù)三點彎曲國標規(guī)定和試件材料的不同選用20mm或30mmo
[0015]步驟2)的具體過程為:對應(yīng)每個傾斜角的角度制作5~10個試件，在傾斜的結(jié)合面上預(yù)制初始裂紋。
[0016]步驟3)的具體過程為:在`材料試驗機上對每一個試件分別進行三點彎曲試驗，以設(shè)定的速率加載，直到試件斷裂，并記錄載荷-位移曲線。
[0017]步驟4)的具體過程為:用有限元法計算斷裂時裂紋尖端的應(yīng)力強度因子和能量釋放率；將每個試件的斷裂載荷分別加入上述建立的有限元模型中，用步驟I)中所述位移外推法、應(yīng)力外推法或交互積分法計算應(yīng)力強度因子&、K2,用虛擬裂紋閉合法或J積分法計算能量釋放率G。
[0018]本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明中的雙材料斜切口三點彎曲試件用于測試混合模態(tài)界面斷裂韌性，試件幾何形狀簡單，在普通的材料試驗機上用三點彎曲方法加載即可得到
0、0°范圍內(nèi)的斷裂韌性值，尤其適合于脆性材料。采用本發(fā)明中的測試試樣可以方便地獲得雙材料界面的混合模態(tài)斷裂韌性值，為界面質(zhì)量評價以及界面或整體的力學行為研究提供一種有效途徑，對于材料或性能設(shè)計與開發(fā)、結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計具有舉足輕重的意義。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明中測試試件的幾何形狀以及三點彎曲夾具的位置圖。
[0020]圖2是a=0.5% 7/V取不同數(shù)值時，^隨沒值的變化曲線。
[0021]圖3是7=r，a/V取不同數(shù)值時，^隨0值的變化曲線。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0023]本發(fā)明提出一種雙材料斜切口三點彎曲試件用于測試混合模態(tài)界面斷裂韌性。試件的幾何形狀如圖1所示。試件是由材料I和材料2組成的長方體，兩種材料右結(jié)合面為垂直面，左結(jié)合面與水平面呈0角，裂紋位于材料I和材料2左結(jié)合面上。長方體上方設(shè)置加載輥子，下方設(shè)置兩個支撐輥子，加載棍子位于左側(cè)結(jié)合面與長方體底部交線的正上方，兩個支撐輥子在試件長度方向上關(guān)于加載棍子對稱。兩支撐輥子之間的距離為7，圖1中右側(cè)材料I的長度，長方體左端與加載輥子的中心距例均為h。I2為長方體底部兩個結(jié)合面之間的距離。
[0024]具體的試件設(shè)計與測試步驟如下:
I)根據(jù)所測量材料的性質(zhì)進行試算，得到合適的試件參數(shù)。
[0025]①確定三點彎曲加載的跨距，一般根據(jù)三點彎曲國標規(guī)定和試件材料的不同選用20mm 或 30mm。
[0026]②建立試件有限元模型，用位移外推法、應(yīng)力外推法或者交互積分法等計算相位角^，得到7/V、a/V的不同取值對相位角^的影響,并結(jié)合實際情況確定試件高度#、裂紋長度a。通過大量試算，推薦7/V=0.8~^，裂紋長度^/#=。.*^)^。推薦7:和72的取值范圍為J1Ar=I~1.5，I2為I~4mm。推薦試件寬度b的取值范圍為4~10mm。
[0027]以位移外推法為例對上述有限元法計算相位角過程進行詳細描述。建立與試件幾何外形相同的有限元模型，加載任意載荷值，進行有限元靜力分析，得到裂紋尖端后面5~10對節(jié)點位移的數(shù)值解，并代入下式計算各節(jié)點的應(yīng)力強度因子:
【權(quán)利要求】
1.一種用于雙材料界面混合模態(tài)斷裂韌性測試的試件，其特征是，包括由兩塊第一種材料塊和一塊第二種材料塊緊密結(jié)合共同組成一長方體，兩塊第一種材料塊分別緊密設(shè)置于第二種材料塊的兩側(cè)，且其中一塊第一種材料塊與第二種材料塊緊密結(jié)合面垂直于水平面，另一塊第一種材料塊與第二種材料塊緊密結(jié)合面與水平面之間有夾角，與水平面之間有夾角的結(jié)合面上設(shè)置有預(yù)制裂紋。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的試件，其特征是，所述兩塊第一種材料塊的底部各設(shè)有一根相互平行的支撐輥子。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的試件，其特征是，所述第二種材料塊的上部設(shè)有一根加載輥子。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的試件，其特征是，所述加載棍子位于與水平面之間有夾角的結(jié)合面和試件底面交線的正上方，所述兩根支撐輥子在試件長度方向上關(guān)于加載棍子對稱。
5.一種用于雙材料界面混合模態(tài)斷裂韌性測試的試件制作及測試方法，其特征是，包括: 1)根據(jù)所測量材料的性質(zhì)試算，得到合適的試件參數(shù)； 2)根據(jù)計算出的試件參數(shù)制作試件； 3)進行三點彎曲加載； 4)計算斷裂時裂紋尖端的應(yīng)力強度因子與能量釋放率。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征是，步驟I)的具體過程為:①確定三點彎曲加載的跨距、試件高度、裂紋長度、試件寬度以及兩種材料長度方向尺寸；②確定傾斜結(jié)合面的夾角的傾斜角變化范圍；③用有限元法計算相位角，建立傾斜角和裂紋尖端相位角的對應(yīng)關(guān)系，計算出能使相位角在(T90。之間變化的結(jié)合面傾斜角的范圍；在此范圍內(nèi)選擇5、個傾斜角以產(chǎn)生5、個相位角，對應(yīng)每個傾斜角制作5?10個試件；相位角的有限元計算法采用位移外推法、應(yīng)力外推法或交互積分法。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征是，所述三點彎曲加載的跨距根據(jù)三點彎曲國標規(guī)定和試件材料的不同選用20mm或30mm。
8.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征是，步驟2)的具體過程為:對應(yīng)每個傾斜角的角度制作5?10個試件，在傾斜的結(jié)合面上預(yù)制初始裂紋。
9.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征是，步驟3)的具體過程為:在材料試驗機上對每一個試件分別進行三點彎曲試驗，以設(shè)定的速率加載，直到試件斷裂，并記錄載荷-位移曲線。
10.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征是，步驟4)的具體過程為:用有限元法計算斷裂時裂紋尖端的應(yīng)力強度因子和能量釋放率；將每個試件的斷裂載荷分別加入上述建立的有限元模型中，用步驟I)中所述位移外推法、應(yīng)力外推法或交互積分法計算應(yīng)力強度因子&、K2,用虛擬裂紋閉合法或J積分法計算能量釋放率G。
【文檔編號】G01N3/20GK103616299SQ201310673475
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月12日
【發(fā)明者】張松, 王高琦, 張慶, 閆續(xù)范, 趙斌, 陳艷 申請人:山東大學