脆性材料三向拉应力试验方法及可更换式粘接拉伸工装技术

本发明专利技术公开了一种适用于脆性材料三向拉应力试验的方法，包括如下步骤：步骤一、三向拉应力样品设计，对三向拉应力样品进行设计，样品是圆柱体，截面直径为D，长度不低于5D，在样品中间设计成一个缺口，缺口为凹陷的球面，缺口最深处距离为0.4D，可视为在缺口中间形成一个直径为0.4D的球形，凹陷的球面的曲率半径R为0.15D。步骤二、非接触测试方法获得应变，采用3D全场变形测试技术，对三向拉应力样品进行应变测试。本发明专利技术还提供了可更换式粘接拉伸工装。本发明专利技术测量精确，操作方便，性能稳定，可以有效测量脆性材料三向拉应力。

【技术实现步骤摘要】
脆性材料三向拉应力试验方法及可更换式粘接拉伸工装
本专利技术涉及一种材料应力试样方法和装置，具体涉及一种脆性材料三向拉应力试验方法及可更换式粘接拉伸工装，属于材料性能表征领域。
技术介绍
脆性材料的复杂应力加载比较困难，比例加载需要专用大型的设备，对样品尺寸形状有一定的要求。对于等应力压缩加载，可采用主动围压试验实现，而对于双向拉伸和三向拉伸试验，由于脆性材料的特性，导致该类型试验加载难度较大，目前还没有较好的方法能有效完成这一类型的试验。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种适用于脆性材料三向拉应力试验的方法，主要是通过在脆性材料样品上制备一定曲率的缺口试样实现三向应力的加载，结合非接触变形测量，获得破坏阈值与破坏应变，可用于研究脆性材料三向拉应力下的破坏行为。本专利技术是这样实现的：脆性材料三向拉应力试验方法，包括如下步骤：步骤一、三向拉应力样品设计对三向拉应力样品进行设计，样品是圆柱体，截面直径为D，长度不低于5D，在样品中间设计成一个缺口，缺口为凹陷的球面，缺口最深处距离为0.4D，可视为在缺口中间形成一个直径为0.4D的球形，凹陷的球面的曲率半径R为0.15D。通过这种设计，可以获得较大的三向拉应力。步骤二、非接触测试方法获得应变采用3D全场变形测试技术，对三向拉应力样品进行应变测试；将三向拉应力样品的两端端部粘接在对剖式套筒内，通过对剖式套筒对三向拉应力样品进行固定，对剖式套筒分别与上压板和下压板相连，通过上压板和下压板对三向拉应力样品提供应力加载，利用3D全场变形测试技术测试应变以获得三向拉应力。更进一步的方案是：利用3D全场变形测试技术测试应变获得三向拉应力时，需要对三向拉应力样品的径向变形数据处理进行处理，具体包括：1)区域平均法在单轴拉伸下，圆柱径向应变与切向应变相等，散斑获得的直角坐标系X方向εxx等于圆柱坐标系径向应变。由于径向应变很小，信号的信噪比较高。采用了两种方法提高径向应变的信噪比，一种是区域平均法，散斑数字相关方法的位移测量误差可分为系统误差和随机误差，系统误差指由亚像素插值方法所导致的位移测量误差；随机误差指由CCD摄像机暗电流引起的图像灰度波动所导致的位移测量误差。对测试信号按照m倍叠加，其中的噪声信号按照√m倍叠加，多次测量后信号信噪比将大大提高。如图7所示，在曲率半径附近区域方框内变形近似认为是一样的，对该区域变形求和，相当于多次重复采集，该方法可有效降低应变信噪比，如式1所示，图8为单点应变与该区域的平均应变，可见平均应变信噪比较低。εi为每一点处的应变；n是该区域内所有点；ε为该区域的平均应变。2)虚拟引伸计方法应变的测试精度取决于位移的测试精度，在缺口附近区域变形是均匀的，应变不取邻域位移变化量，而是在较大的标距内获得两点位移差，如式2所示，较大的位移差值可降低位移误差影响的权重，类似“虚拟引伸计”方法。在“虚拟引伸计”测量时，由于散斑子区损失部分区域，虚拟引伸计并不是如引伸计夹持在试样的两端，由图9和式3所示，散斑应变场中虚拟引伸计计算得到的应变仍为该点的径向应变。式中，x1，x2为标距两端点坐标，Δu1，Δu2分别为x1，x点处的位移量。式中，r为样品的半径，u为半径方向的位移，θ为半径与Y方向夹角。作为本专利技术的另一个目的，本专利技术还提供了可更换式粘接拉伸工装。可更换式粘接拉伸工装，包括上底板和下底板，在上底板下方设置有上压板，在下底板上方设置有下压板，在上压板和下压板上，设置有轴向相同的对剖式套筒，上压板、下压板均通过锁紧螺钉分别与上底板、下底板固定连接，在下压板上，还设置有调节螺钉。更进一步的方案是：所述的上压板、下压板可以更换。更进一步的方案是：所述对剖式套筒是由两个截面为半圆形的套筒组合而成的。现有技术中，采用胶粘的方式连接样品两端，样品断裂后样品仍留在上下压板，胶也不易清理，需要将上下压板取下置入丙酮中清理，增加了试验时间和上下压板调平的难度。另外，在端部中心处胶不易固化，有时会出现端面粘接不牢从端部脱粘情况。因此，本专利技术可更换式粘接拉伸工装，设计了可更换可调平压板和辅助粘接工装，由可更换的上、下压板、锁紧螺钉和调节螺钉、对剖式套筒组成，在拉伸试验结束后，只需要更换新的压板即可；通过可更换调平压板上的三个调节螺钉的旋入可容易调节上下压板的平行度；对剖式套筒一方面通过底部胶与压板连接，另一方面通过侧面胶与样品连接，将样品与底板连接在一起，提供了额外的粘接力，保证了粘接的可靠性，套筒也起到了改善端面受力和限位作用，使加载严格按照轴线方向。本专利技术测量精确，操作方便，性能稳定，可以有效测量脆性材料三向拉应力。附图说明图1是三向拉伸试验样品图2是螺纹连接工装的缺口圆柱轴向应变图3是刚体旋转后的目标图像图4是粘接工装的加载方向位移图5是粘接工装的水平方向位移图6是粘接工装的离面位移图7是粘接工装的轴向应变图8是单点应变和平均应变图9是虚拟引伸计应变计算图10是单点径向应变与虚拟引伸计获得径向应变比较图11是整个工装示意图图12是实施例的缺口圆柱试样图13是R3mm曲率半径的三个主应力图14是虚拟引伸计获得径向应变比较图15是不同曲率半径拉伸轴向应变具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步的说明。脆性材料三向拉应力试验方法，包括如下步骤：(一)三向拉应力样品设计设计如图1所示的缺口样品，直径为D的圆柱体，长度为5D以上消除端部效应的影响，中间缺口处直径0.4D和曲率半径R为0.15D可获得较大的三向拉应力。(二)非接触测试方法获得应变缺口处的曲率半径较小，采用粘贴应变片的方法缺少布置空间。本方法将3D全场变形测试技术应用于缺口处的变形测试，由于脆性材料的拉伸应变非常小，不超过2000uε，横向变形由于约束作用变形在300uε以下。为获得高精度的散斑变形测试结果，需要改变加载方式，采用粘接的方式加载。传统的粘接拉伸试验通过常规的螺纹连接头实现，应用于散斑变形测试存在两个缺点：一是可能引起偏心导致的破坏，如图2所示；二是影响散斑应变测试精度，采用活头连接，在整个加载中试样会发生摆动，如图3所示，目标图像子区出现较大转动而产生退相关的效应，得到的结果会产生很大的误差。本专利技术改变了加载方式，采用样品两端部粘接的方法，再加上粘接辅助工装，如图4所示，获得的加载方向位移云图水平均匀分布；由图5可见，在X、Z方向位移变化在数微米以内，保证了单轴加载状态；由图6可见，在加载方向获得了高精度的散斑应变。径向变形数据处理方法包括：1)区域平均法在单轴拉伸下，圆柱径向应变与切向应变相等，散斑获得的直角坐标系X方向εxx等于圆柱坐标系径向应变。由于径向应变很小，信号的信噪比较高。采用了两种方法提高径向应变的信噪比，一种是区域平均法，散斑数字相关方法的位移测量误差可分为系统误差和随机误差，系统误差指由亚像素插值方法所导致的位移测量误差；随机误差指由CCD摄像机暗电流引起的图像灰度波动所导致的位移测量误差。对测试信号按照m倍叠加，其中的噪声信号按照√m倍叠加，多次测量后信号信噪比将大大提高。如图7所示，在曲率半径附近区域方框内变形近似认为是一样的，对该区域变形求和，相当于多次重复采集，该方法可有效降低应变信噪比，如式1所示，图8为单点应变与该区域的平均应变，可见平均应本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种脆性材料三向拉应力试验的方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一、三向拉应力样品设计对三向拉应力样品进行设计，样品是圆柱体，截面直径为D，长度不低于5D，在样品中间设计成一个缺口，缺口为凹陷的球面，缺口最深处距离为0.4D，可视为在缺口中间形成一个直径为0.4D的球形，凹陷的球面的曲率半径R为0.15D；步骤二、非接触测试方法获得应变采用3D全场变形测试技术，对三向拉应力样品进行应变测试；将三向拉应力样品的两端端部粘接在对剖式套筒内，通过对剖式套筒对三向拉应力样品进行固定，对剖式套筒分别与上压板和下压板相连，通过上压板和下压板对三向拉应力样品加载，利用3D全场变形测试技术测试应变获得三向拉应力。

【技术特征摘要】
1.一种脆性材料三向拉应力试验的方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一、三向拉应力样品设计对三向拉应力样品进行设计，样品是圆柱体，截面直径为D，长度不低于5D，在样品中间设计成一个缺口，缺口为凹陷的球面，缺口最深处距离为0.4D，可视为在缺口中间形成一个直径为0.4D的球形，凹陷的球面的曲率半径R为0.15D；步骤二、非接触测试方法获得应变采用3D全场变形测试技术，对三向拉应力样品进行应变测试；将三向拉应力样品的两端端部粘接在对剖式套筒内，通过对剖式套筒对三向拉应力样品进行固定，对剖式套筒分别与上压板和下压板相连，通过上压板和下压板对三向拉应力样品加载，利用3D全场变形测试技术测试应变获得三向拉应力。2.根据权利要求1所述脆性材料三向拉应力试验的方法，其特征在于：利用3D全场变形测试技术测试获得三向拉应力时，需要对三向拉应力样品的径向变形数据处理进行处理，具体包括：1)区域平均法在单轴拉伸下，圆柱径向应变与切向应变相等，散斑获得的直角坐标系X方向εxx等于圆柱坐标系径向应变；由于径向应变很小，信号的信噪比较高；采用了两种方法提高径向应变的信噪比，一种是区域平均法，散斑数字相关方法的位移测量误差可分为系统误差和随机误差，系统误差指由亚像素插值方法所导致的位移测量误差；随机误差指由CCD摄像机暗电流引起的图像灰度波动所导致的位移测量误差；对测试信号按照m倍叠加，其中的噪声信号按...

【专利技术属性】
技术研发人员：蓝林钢，甘海啸，唐明峰，周红萍，付涛，温茂萍，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院化工材料研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51