脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法技术

本发明专利技术涉及材料性能检测方法，公开了一种脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法，包括如下步骤：A)制备有直切槽的试样(1)，在试样上喷印有点阵参考系，并标定至少两对测量点；B)对试样进行三点弯加载实验，利用数字图像测量装置测量各对位测量点处的裂尖张开位移量，以得出位移量时间变化曲线；C)根据试样规格和加载实验中对试样的载荷数据和应变数据得出试样的应力强度因子时间曲线得出加载率；D)结合位移量时间变化曲线，确定各对测量点的位移量的突增时间，以根据突增时间得出试样在该加载率下的动态裂纹扩展速度。本发明专利技术的脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法能够不受试样尺寸的影响且精度高。精度高。精度高。

【技术实现步骤摘要】
脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法


[0001]本专利技术涉及材料性能检测方法，具体涉及一种脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法。

技术介绍

[0002]岩石、混凝土作为我国地下空间工程中常见的开挖主体与支护主体材料，准确测定其在高速荷载下的裂尖张开位移及裂纹扩展速度对于爆破开挖、地震、机械冲击以及支护结构等均具有重要的工程意义。
[0003]以岩石、混凝土等为代表的脆性材料，其抗拉强度远小于抗压强度，而I型(张开型)裂纹往往意味着岩石的拉伸断裂，对工程稳定性造成了巨大的威胁，因此对于I型断裂的研究显得更为重要，而裂尖张开位移和裂纹扩展速度是反映材料失稳破裂过程的重要参数，对地质灾害的准确预报和工程结构的稳定运行及安全评价具有重要的参考价值。
[0004]目前常用于测试岩石类脆性材料裂尖张开位移和裂纹扩展速度的方法以接触式应变片法为主，但是应变片的粘贴位置受限于被测试样的尺寸，而且应变片在高速冲击下极易脱落、损坏，导致变形数据失真或者很难获取变形数据。
[0005]有鉴于此，需要提供一种脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法，其能够不受试样尺寸以及形状的影响，且具有更高的测量精度。
[0007]为实现以上专利技术目的，本专利技术提供一种脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法，包括如下步骤：A)制备具有直切槽的试样，在所述试样的观测面上喷印点阵参考系，并标定至少两对测量点；B)对所述试样进行三点弯加载实验，并利用数字图像测量装置测量各对所述测量点处的裂尖张开位移量，以得出裂尖张开方向位移量时间变化曲线；C)根据所述试样的规格以及加载实验中所述试样的载荷数据和应变数据得出所述试样的应力强度因子时间曲线，以得出加载率；D)结合所述裂尖张开方向位移量时间变化曲线，确定各对所述测量点沿裂尖张开方向位移量的突增时间，以根据所述突增时间得出所述试样在所述加载率下的动态裂纹扩展速度。
[0008]优选地，步骤A)中的所述试样为半圆盘试样，所述直切槽设于所述半圆盘试样上平面的中部，并沿所述半圆盘试样的厚度方向贯穿该半圆盘试样。
[0009]具体地，步骤B)中所述点阵参考系的建立步骤包括：a)清理所述观测面，并喷涂底层涂层；b)在所述底层涂层上印戳或喷涂，以形成散点场，从而建立所述点阵参考系。
[0010]进一步具体地，步骤B)中所述三点弯加载实验基于霍普金森压杆设备进行，所述霍普金森压杆设备包括撞击杆、入射杆和透射杆，所述试样夹装于所述入射杆和所述透射杆之间，所述撞击杆撞击所述入射杆，所述入射杆上设有入射杆应变片，所述入射杆应变片
与波形采集显示装置连接，以能够测量入射应变和反射应变，所述透射杆上设有透射杆应变片，所述透射杆应变片与所述波形采集显示装置连接，以能够测量透射应变。
[0011]进一步具体地，步骤B)中的所述数字图像测量装置包括高速相机和照明设备，该高速相机与所述波形采集显示装置以及所述计算机电连接，以实现该高速相机与所述波形采集显示装置的同步触发，并实时采集所述观测面的数字图像。
[0012]进一步具体地，所述计算机通过分析所述数字图像中的所述点阵参考系的变化得出裂尖张开方向位移云图，并根据该裂尖张开方向位移云图得出各对所述测量点在所述裂尖张开方向位移量时间变化曲线。
[0013]进一步具体地，步骤C)中所述应力强度因子时间曲线由所述入射杆端的入射应力、所述透射杆端的透射应力以及无量纲应力强度因子得出。
[0014]进一步具体地，所述入射应力由所述入射杆的横截面积、所述入射杆的弹性模量、所述入射应变和所述反射应变得出；所述透射应力由所述透射杆的横截面积、所述入射杆的弹性模量以及所述透射应变得出；所述无量纲应力强度因子由所述直切槽的长度、所述半圆盘试样的半径和所述透射杆上用于支撑所述半圆盘试样的支撑点之间的距离得出。
[0015]进一步具体地，所述加载率为所述应力强度因子时间曲线近似弹性段的斜率。
[0016]进一步具体地，所述动态裂纹扩展速度由两对所述测量点沿裂尖张开方向位移量突增的时间差以及相邻的所述两对测量点之间沿裂纹扩展长度方向的间距得出。
[0017]本专利技术所要提供的脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法，以在试样的观测面上采用喷涂印戳的方法形成点阵参考系，并利用数字图像测量装置对点阵参考系中各个散点在沿裂尖张开方向的位移量进行测量。由于点阵参考系是喷涂印制于试样的观测面上，因此，一方面，能够使得参考系的布置不受试样尺寸大小的影响；另一方面，在试样受到撞击载荷产生形变的过程中，喷印的点阵参考系不会因为受到撞击而脱落，且喷印形成的点阵参考系对于试样的结构强度的影响极小，因而能够更为稳定以及准确地获取到点阵参考系上标定的观测点在沿裂尖张开方向的位移量时间变化曲线，从而能够更为精确地测量出裂纹扩展速度。
[0018]本专利技术实例的其它特征和优点将在随后的具体实例方式部分予以详细说明。
附图说明
[0019]图1是本专利技术脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法的一个实例的流程图；
[0020]图2是本专利技术脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法的一个实施例中实验装置示意图；
[0021]图3是本专利技术脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法的一个实施例中试样的正视图；
[0022]图4是本专利技术脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法的一个实施例中试样的剖视图；
[0023]图5是本专利技术脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法的一个实施例中试样的观测面示意图；
[0024]图6是本专利技术脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法中的应力
强度因子时间曲线图；
[0025]图7是本专利技术脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法中的裂尖张开方向位移云图；
[0026]图8是本专利技术脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法中的裂尖张开方向位移量时间变化曲线图(其中0表示第一测量点61,1表示第二测量点62，2表示第三测量点63，3表示第四测量点64，COD
01
表示第一对测量点处的裂尖张开位移，COD
23
表示第二对测量点处的裂尖张开位移)；
[0027]图9是本专利技术脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法中的裂尖张开位移变化曲线图(COD
01
表示第一对测量点处的裂尖张开位移，COD
23
表示第二对测量点处的裂尖张开位移)。
[0028]附图标记说明
[0029]1‑
试样
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
11
‑
直切槽
[0030]21
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：A)制备具有直切槽(11)的试样(1)，在所述试样(1)的观测面上喷印点阵参考系，并标定至少两对测量点；B)对所述试样(1)进行三点弯加载实验，并利用数字图像测量装置测量各对所述测量点处的裂尖张开位移量，以得出裂尖张开方向位移量时间变化曲线；C)根据所述试样(1)的规格以及加载实验中所述试样的载荷数据和应变数据得出所述试样(1)的应力强度因子时间曲线，以得出加载率；D)结合所述裂尖张开方向位移量时间变化曲线，确定各对所述测量点沿裂尖张开方向的位移量的突增时间，以根据所述突增时间得出所述试样(1)在所述加载率下的动态裂纹扩展速度。2.根据权利要求1所述的脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法，其特征在于，步骤A)中的所述试样(1)为半圆盘试样，所述直切槽(11)设于所述半圆盘试样上平面的中部，并沿所述半圆盘试样的厚度方向贯穿该半圆盘试样。3.根据权利要求2所述的脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法，其特征在于，步骤(1)中所述点阵参考系的建立步骤包括：a)清理所述观测面，并喷涂底层涂层；b)在所述底层涂层上印戳或喷涂，以形成散点场，从而建立所述点阵参考系。4.根据权利要求3所述的脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法，其特征在于，步骤B)中所述三点弯加载实验基于霍普金森压杆设备进行，所述霍普金森压杆设备包括撞击杆(21)、入射杆(22)和透射杆(23)，所述试样(1)夹装于所述入射杆(22)和所述透射杆(23)之间，所述撞击杆(21)能够撞击所述入射杆(22)，所述入射杆(22)上设有入射杆应变片(221)，所述入射杆应变片(221)与波形采集显示装置(3)连接，以能够测量入射应变和反射应变，所述透射杆(23)上设有透射杆应变片(231)，所述透射杆应变片(231)与所述波形采集显示装置(3)连...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩震宇，李地元，朱泉企，马金银，李夕兵，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：