一种用于材料III型断裂韧度测试的装置及测试方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于材料III型断裂韧度测试的装置及测试方法，该装置用于对圆柱体结构的试件进行III型断裂韧度测试，试件的周侧外壁上环绕设置有沿试件的径向延伸的预制裂缝；装置包括底座及设置于底座上的入射杆、透射杆、轴压装置和扭矩加载装置；透射杆与入射杆同轴且间隔设置，对试件进行III型断裂韧度测试时，试件位于入射杆与透射杆之间；轴压装置包括与入射杆抵接的第一轴压装置和与透射杆抵接的第二轴压装置，第一轴压装置用于对入射杆施加压力，第二轴压装置用于对透射杆施加压力；扭矩加载装置用于对入射杆施加扭矩。该装置能够对岩石进行轴压作用下的III型断裂韧度测试，以实现试件轴压作用下的III型断裂，且能够使得试件的加工简单。能够使得试件的加工简单。能够使得试件的加工简单。

【技术实现步骤摘要】
一种用于材料III型断裂韧度测试的装置及测试方法


[0001]本申请涉及材料力学领域，尤其涉及一种用于材料III型断裂韧度测试的装置及测试方法。

技术介绍

[0002]在土木工程、采矿、石油开采、交通、水利等工程中均会涉及到岩石的断裂问题，比如在爆破、油气开采中，需要利用岩石的断裂现象来提高破岩效率，而为了保障工程结构的安全性、稳定性，又需要阻止岩石的断裂。因此，了解岩石的破坏机理至关重要，有助于提高工程的破岩速度与安全性。
[0003]断裂韧度作为表征材料抵抗裂纹扩展的力学参数，在工程应用与理论研究中均具有重要的价值。根据经典断裂力学理论，按裂纹面受力的情况，可将断裂分为三种基本类型：张开型(I型)、滑开型(II型)和撕开型(III型)。I断裂模式中，两个裂纹面相互张开；II型断裂模式中，两个裂纹面会产生相对滑动，且滑动方向与裂纹前缘方向垂直；III型断裂模式中，两个裂纹面的相对滑动方向与裂纹前缘方向平行，即剪应力和裂纹扩展方向垂直。
[0004]但是，岩石是脆性材料，使得试件及夹具的加工存在一定的难度，装置难以直接应用于岩石上。所以目前单纯对岩石进行断裂韧度测试的装置较少。并且，经过大量的实验证明，岩石在I型加载条件下会产生I型断裂,但在III型加载条件下，裂纹尖端的最大拉应力往往先于最大剪应力达到其临界值，从而产生偏离原裂纹面方向的拉伸型断裂，很难获得真正的III型断裂。由此，目前亟需一种能够较为准确的测试岩石的III型断裂韧度的装置及测试方法。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中上述不足，本专利技术提供了一种用于材料III型断裂韧度测试的装置及测试方法，能够对岩石进行轴压作用下的III型断裂韧度测试，以实现试件轴压作用下的III型断裂，并且能够使得试件的加工简单易实现。
[0006]为了实现上述目的，第一方面，本专利技术公开了一种用于材料III型断裂韧度测试的装置，所述装置用于对试件进行III型断裂韧度测试，所述试件为圆柱体结构，所述试件的周侧外壁上环绕设置有预制裂缝，所述预制裂缝沿所述试件的轴向和径向延伸；
[0007]所述装置包括：
[0008]底座；
[0009]入射杆，所述入射杆设置于所述底座上，且可相对于所述底座移动；
[0010]透射杆，所述透射杆与所述入射杆同轴且间隔相对设置，在对所述试件进行III型断裂韧度测试时，所述试件位于所述入射杆与所述透射杆之间，且所述试件的轴向与所述入射杆和所述透射杆的轴向相互平行；
[0011]轴压装置，所述轴压装置包括设置于所述底座上的第一轴压装置和第二轴压装置，所述第一轴压装置与所述入射杆远离所述透射杆的一端抵接，且与所述入射杆转动连
接，所述第一轴压装置用于对所述入射杆施加压力；所述第二轴压装置与所述透射杆远离所述入射杆的一端抵接，用于对所述透射杆施加压力；
[0012]扭矩加载装置，所述扭矩加载装置设置于所述底座上且与所述入射杆连接，用于对所述入射杆施加扭矩。
[0013]在本实施例中，在对试件进行III型断裂韧度测试时，试件位于入射杆与透射杆之间，试件的轴向与入射杆和透射杆的轴向相互平行，以使扭矩加载装置施加于入射杆上的扭矩能够加载至试件上，以实现对试件的III型加载，使试件实现III型断裂，以测得试件的III型断裂韧度。又，轴压装置包括设置于底座上的第一轴压装置和第二轴压装置，第一轴压装置与入射杆远离透射杆的一端抵接，用于对入射杆施加压力，第二轴压装置与透射杆远离入射杆的一端抵接，用于对透射杆施加压力，使得试件沿轴向的两侧均能够受到压力，以使通过该装置对试件进行III型断裂韧度测试时，试件能够在沿轴向的两侧均受到压力的条件下进行扭矩加载，使得试件的III型断裂更接近于实际的III型断裂，从而进一步深入理解试件在扭矩加载作用下的变形与III型断裂机理，以便于较为准确的预测材料在轴压(即沿入射杆和透射杆的轴向施加的压力)和扭矩复合作用下的III型断裂现象。
[0014]并且，该装置包括底座、入射杆、透射杆、轴压装置以及扭矩加载装置，为一种霍普金森扭杆实验装置。与现有的III型断裂韧度测试装置相比，无需配合使用复杂的加载即可实现III型荷载的加载，还能避免复杂的加载操作，使得对试件的III型断裂韧度测试具有加载方式简单、易操作和加载精度较高的优势，为测定III型断裂韧度提供了可靠的测试途径。
[0015]另外，试件为圆柱体结构，试件的周侧外壁上环绕设置有预制裂缝，预制裂缝沿圆柱体结构的轴向和径向延伸。由此，在对试件进行加工制作时，只需先将试件加工为圆柱体结构，然后可通过切割机在圆柱体结构的试件上旋转切割，即能够得到具有预设深度的环状的预制裂缝，相比于在试件上加工制作出几个不同延伸方向的预制裂缝，该试件的切割加工量小，降低了加工难度，尤其是对于粗颗粒的岩石以及混凝土等材料的试件，还能减少加工时的试件损伤，提高加工精度。因此，本实施例所述的试件不但制作方式简单、加工难度低，而且还能够提高试件的加工精度。
[0016]在第一方面可能实现的方式中，所述试件的长度与所述试件的半径之间的比值为k，k＝L/R，其中，2≤k≤4，L为所述试件的长度，R为所述试件的半径。
[0017]在第一方面可能实现的方式中，所述预制裂缝的深度与所述试件的半径之间的比值为δ，δ＝h/R，其中，0.4≤δ≤0.6，h所述预制裂缝的深度。
[0018]在第一方面可能实现的方式中，所述试件的最小半径为R
min
，其中，Dr为所述入射杆的外径，48mm≤Dr≤52mm，σ
max
为所述装置的最大轴压值，σ
t
为所述试件的抗压强度，F
s
为所述装置的压力安全系数；
[0019]所述试件的半径R的范围为，
[0020]在第一方面可能实现的方式中，所述预制裂缝的宽度不大于1mm。
[0021]在第一方面可能实现的方式中，所述预制裂缝位于所述试件沿轴向的中间位置处。
[0022]在第一方面可能实现的方式中，所述装置还包括相对设置的第一夹具和第二夹具，所述第一夹具与所述入射杆连接，所述第二夹具与所述透射杆连接，且所述第一夹具和所述第二夹具相对的面均为平面，在对所述试件进行III型断裂韧度测试时，所述试件固定在所述第一夹具和所述第二夹具相对的平面上。
[0023]在第一方面可能实现的方式中，所述入射杆与所述透射杆均为圆环形管状结构；
[0024]所述第一夹具包括第一安装件和第一夹持件，所述第一安装件的一端嵌设于所述入射杆内，所述第一夹持件朝向所述第一安装件的一端上设置有第一卡接部，所述第一夹持件通过所述第一卡接部与所述第一安装件可拆卸连接；
[0025]所述第二夹具包括第二安装件和第二夹持件，所述第二安装件的一端嵌设于所述透射杆内，所述第二夹持件朝向所述第二安装件的一端上设置有第二卡接部，所述第二夹持件通过所述第二卡接部与所述第二安装件可拆卸连接。
[0026]第二方面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于材料III型断裂韧度测试的装置，其特征在于，所述装置用于对试件进行III型断裂韧度测试，所述试件为圆柱体结构，所述试件的周侧外壁上环绕设置有预制裂缝，所述预制裂缝沿所述试件的轴向和径向延伸；所述装置包括：底座；入射杆，所述入射杆设置于所述底座上，且可相对于所述底座移动；透射杆，所述透射杆与所述入射杆同轴且间隔相对设置，在对所述试件进行III型断裂韧度测试时，所述试件位于所述入射杆与所述透射杆之间，且所述试件的轴向与所述入射杆和所述透射杆的轴向相互平行；轴压装置，所述轴压装置包括设置于所述底座上的第一轴压装置和第二轴压装置，所述第一轴压装置与所述入射杆远离所述透射杆的一端抵接，且与所述入射杆转动连接，所述第一轴压装置用于对所述入射杆施加压力；所述第二轴压装置与所述透射杆远离所述入射杆的一端抵接，用于对所述透射杆施加压力；扭矩加载装置，所述扭矩加载装置设置于所述底座上且与所述入射杆连接，用于对所述入射杆施加扭矩。2.根据权利要求1所述的用于材料III型断裂韧度测试的装置，其特征在于，所述试件的长度与所述试件的半径之间的比值为k，k＝L/R，其中，2≤k≤4，L为所述试件的长度，R为所述试件的半径。3.根据权利要求2所述的用于材料III型断裂韧度测试的装置，其特征在于，所述预制裂缝的深度与所述试件的半径之间的比值为δ，δ＝h/R，其中，0.4≤δ≤0.6，h所述预制裂缝的深度。4.根据权利要求3所述的用于材料III型断裂韧度测试的装置，其特征在于，所述试件的最小半径为R
min
，其中，Dr为所述入射杆的外径，48mm≤Dr≤52mm，σ
max
为所述装置的最大轴压值，σ
t
为所述试件的抗压强度，F
s
为所述装置的压力安全系数；所述试件的半径R的范围为，5.根据权利要求4所述的用于材料III型断裂韧度测试的装置，其特征在于，所述预制裂缝的宽度不大于1mm。6.根据权利要求1
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【专利技术属性】
技术研发人员：陈荣，梁文，聂铮玥，卢芳云，李翔宇，林玉亮，李志斌，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：