脆性材料动态断裂扩展韧度测试方法技术

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动态断裂扩展韧度测试方法，包括如下步骤：A)、制备有直切槽(11)的试样(1)，在试样的观测面上喷涂点阵参考系；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参考系中各散点沿水平和竖直方向的位移量，以得出散点水平和竖直方向位移量云图；C)、利用数字图像测量装置和计算机通过几何方法确定两个断裂体在试样断裂前的几何中心，并结合位移量云图确定几何中心沿水平方向以及竖直方向的位移量；D)、计算试样断裂过程中的单位面积耗散能，并结合试样的性能参数和实验的加载参数得出动态断裂扩展韧度。本发明专利技术的脆性材料动态断裂扩展韧度测量方法测量精度高。断裂扩展韧度测量方法测量精度高。断裂扩展韧度测量方法测量精度高。

【技术实现步骤摘要】
脆性材料动态断裂扩展韧度测试方法


[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动态断裂扩展韧度测试方法。

技术介绍

[0002]随着浅部资源的枯竭与地表空间的日益减少，资源开采和地下空间开发等工程逐渐进入深地，深地工程的建设和运营与作为主体及支护材料的岩石和混凝土密切相关。
[0003]这些材料在高速冲击荷载作用下易发生脆性断裂破坏，其失稳破坏过程受断裂参数的控制，特别是动态断裂扩展韧度。动态断裂扩展韧度是反映裂纹高速扩展的重要参数，与断裂平动速度和断裂转动速度密切相关。
[0004]目前常用于测试岩石类脆性材料断裂扩展韧度的方法以高速摄像法为主，但试样破坏前后的形心距难以准确测定，导致试样的断裂平动速度难以求出，很大程度是依赖于数据处理经验，这使得断裂扩展韧度的测量结果误差极大，不能够对理解岩石的动态断裂破坏机理起到良好的参考作用。
[0005]有鉴于此，需要提供一种脆性材料动态断裂扩展韧度测试方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种脆性材料动态断裂扩展韧度测试方法，其能够准确确定断裂体在试样断裂前后的几何中心间距的变化及完全断裂角的大小，具有良好的测试精度。
[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动态断裂扩展韧度测试方法，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；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所述点阵参考系中各散点沿水平方向以及竖直方向的位移量，以得出散点水平方向位移量云图和散点竖直方向位移量云图；C)利用所述数字图像测量装置和计算机确定由所述试样断裂形成的完全断裂角的大小以及通过几何关系确定两个断裂体在该试样断裂前的几何中心，并将所述几何中心标定为观测点，结合所述散点沿水平方向的位移量云图以及散点沿竖直方向的位移量云图确定所述观测点完全断裂前后沿水平方向以及竖直方向的位移量；D)计算所述试样(1)在断裂过程中的单位面积耗散能，并结合所述试样(1)的性能参数以及所述三点弯加载实验的加载参数得出所述试样(1)的动态断裂扩展韧度。
[0008]具体地，步骤A)中的所述直切槽设于所述试样上某一侧面的中部，并沿该侧面的宽度方向贯穿所述试样。
[0009]进一步具体地，步骤A)中所述点阵参考系的建立步骤包括：
[0010]a)清理所述观测面，并喷涂底层涂层；
[0011]b)在所述底层涂层上印戳或喷涂，以形成所述散点，从而建立所述点阵参考系。
[0012]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，以测量所述加载参数，包括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，以测量所述加载参数，包括透射应变。
[0013]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。
[0014]进一步具体地，所述计算机中包括CAD软件以及DIC分析与计算软件以用于确定所述完全断裂角大小、几何中心的位置以及所述几何中心的位移量。
[0015]进一步具体地，步骤(4)中的所述单位面积耗散能由所述试样的入射能、反射能、透射能、所述试样的两个所述断裂体的位移动能以及断裂区面积得出。
[0016]进一步具体地，所述入射能根据所述入射杆的入射杆横截面积、入射杆弹性模量、所述入射应变和所述入射杆纵波波速得出；所述反射能根据所述入射杆横截面积、所述入射杆弹性模量、所述反射应变和所述入射杆纵波波速得出；所述透射能根据所述透射杆的透射杆横截面积、透射杆弹性模量、所述透射应变和所述透射杆纵波波速得出；所述断裂体的位移动能由所述断裂体的平移动能以及转动动能得出。
[0017]进一步具体地，所述试样的性能参数包括泊松比、弹性模量、裂纹扩展速度、试样纵波波速和试样剪切波波速
[0018]进一步具体地，所述动态断裂扩展韧度根据所述单位面积耗散能以及所述性能参数得出。
[0019]本专利技术的脆性材料动态断裂扩展韧度测试方法，其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试样断裂过程中点阵参考系内的各散点的位移量进行测量，形成散点水平方向位移量云图和散点竖直方向位移量云图；随后利用该数字图像测量装置并通过几何关系确定出试样断裂后受形成的两个断裂体各自的几何中心，以能够根据散点水平方向位移量云图和散点竖直方向位移量云图准确地得到两个断裂体的几何中心在试样断裂过程中的位移量，即间距变化，从而能够准确地得到试样的断裂平动速度，从而能够具有良好的测量精度；此外，由于点阵参考系是涂印于试样的观测面上，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而断裂的过程中，涂印的点阵参考系不会因为受到撞击而脱落，且涂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中的散点的位移量，使得散点水平方向位移量云图和散点竖直方向位移量云图更为精确，能够达到提高测量精度的目的。
[0020]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
[0021]图1是本专利技术脆性材料动态断裂扩展韧度测试方法的一个实例的流程图；
[0022]图2是本专利技术脆性材料动态断裂扩展韧度测试方法的一个实施例中实验装置示意图；
[0023]图3是本专利技术脆性材料动态断裂扩展韧度测试方法的一个实施例中试样的正视图；
[0024]图4是本专利技术脆性材料动态断裂扩展韧度测试方法的一个实施例中试样的剖视图；
[0025]图5是本专利技术脆性材料动态断裂扩展韧度测试方法的一个实施例中试样的观测面示意图；
[0026]图6是本专利技术脆性材料动态断裂扩展韧度测试方法中的试样断裂前后对比图；
[0027]图7是本专利技术脆性材料动态断裂扩展韧度测试方法中的散点水平方向位移量云图；
[0028]图8是本专利技术脆性材料动态断裂扩展韧度测试方法中的散点竖直方向位移量云图；
[0029]图9是本专利技术脆性材料动态断裂扩展韧度测试方法中的几何中心(观测点)沿水平方向和沿竖直方向的位移量变化图。
[0030]附图标记说明
[0031]1‑
试样
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11
‑
直切槽
[0032]21
‑
撞击杆
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22
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种脆性材料动态断裂扩展韧度测量方法，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；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所述点阵参考系中各散点沿水平方向以及竖直方向的位移量，以得出散点水平方向位移量云图和散点竖直方向位移量云图；C)利用所述数字图像测量装置和计算机(4)确定由所述试样(1)断裂形成的完全断裂角的大小以通过几何关系确定两个断裂体在该试样(1)断裂前的几何中心，并将所述几何中心标定为观测点，结合所述散点沿水平方向的位移量云图以及散点沿竖直方向的位移量云图确定所述观测点完全断裂前后沿水平方向以及竖直方向的位移量；D)计算所述试样(1)在断裂过程中的单位面积耗散能，并结合所述试样(1)的性能参数以及所述三点弯加载实验的加载参数得出所述试样(1)的动态断裂扩展韧度。2.根据权利要求1所述的脆性材料动态断裂扩展韧度测试方法，其特征在于，步骤A)中的所述直切槽(11)设于所述试样(1)上某一侧面的中部，并沿该侧面的宽度方向贯穿所述试样(1)。3.根据权利要求2所述的脆性材料动态断裂扩展韧度测试方法，其特征在于，步骤A)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，以形成所述散点，从而建立所述点阵参考系。4.根据权利要求3所述的脆性材料动态断裂扩展韧度测试方法，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，以测量所述加载参数，包括入射应变和反...

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