本发明专利技术公开了一种用于双材料界面混合模态断裂韧性测试的试件，包括由两块第一种材料块和一块第二种材料块紧密结合共同组成一长方体，两块第一种材料块分别紧密设置于第二种材料块的两侧，且其中一块第一种材料块与第二种材料块紧密结合面垂直于水平面，另一块第一种材料块与第二种材料块紧密结合面与水平面之间有夹角，水平面之间有夹角的结合面上设置有预制裂纹。本发明专利技术同时还公开了该试件的制作及测试方法。本发明专利技术中的双材料斜切口三点弯曲试件用于测试混合模态界面断裂韧性，试件几何形状简单，在普通的材料试验机上用三点弯曲方法加载即可得到0～90°范围内的断裂韧性值，尤其适合于脆性材料。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种测试试件及测试方法，尤其是一种。
技术介绍
随着各类功能材料、复合材料、结合材料等先进材料的工业应用逐渐增多，由不同材料组成的界面力学行为越来越受到人们的重视。各类材料及结构的结合部，如金属/陶瓷结合界面、异种金属结合界面、功能器件与承载构件的结合界面等对材料或结构整体的力学行为有着十分重要的影响。由于界面附近容易存在缺陷或产生应力集中，结合材料容易在结合处或附近首先发生破坏。因此，结合材料的强度和寿命很大程度上取决于界面的强度和寿命特性。与均质材料裂纹类似，界面裂纹的开裂也分为三种类型，即张开型(I型)、滑移型(II型)和撕开型(III型)。裂纹的变形状态是由这三种基本形式叠加得到的。与裂纹形态相对应的断裂临界应力强度因子分别被称为I型Or1)、Ii型QQ和in型Or3)断裂韧性。实际工程中的界面断裂通常是1-1i型混合模态断裂，模态的混合程度用相位角vik表示，W^arcXmxiKAd。因此要准确地定量评价界面结合强度必须完整地测量I型、Ii型和1-1i型混合模态下断裂韧性。目前有多种测量界面断裂韧性的试件类型，最常用的有不对称三点弯曲试件、单边切口四点弯曲试件、不对称四点弯曲试件、巴西圆盘试件、边裂纹条形试件等，但这些试件都各有利弊。不对称三点弯曲试件和单边切口四点弯曲试件几何外形简单，但只能测量小范围混合模态下的断裂韧性；不对称四点弯曲试件的制作也较为简单，但需要制作专用加载装置；巴西圆盘试件应用非常广泛，但对于某些脆性材料来说制作比较困难；边裂纹条形试件不适合于一些断裂韧性较低的脆性材料。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种。为实现上述目的，本专利技术采用下述技术方案: 一种用于双材料界面混合模态断裂韧性测试的试件，包括由两块第一种材料块和一块第二种材料块紧密结合共同组成一长方体，两块第一种材料块分别紧密设置于第二种材料块的两侧，且其中一块第一种材料块与第二种材料块紧密结合面垂直于水平面，另一块第一种材料块与第二种材料块紧密结合面与水平面之间有夹角，与水平面之间有夹角的结合面上设置有预制裂纹。所述两块第一种材料块的底部各设有一根相互平行的支撑辊子。所述第二种材料块的上部设有一根加载辊子。所述加载棍子位于与水平面之间有夹角的结合面和试件底面交线的正上方。所述两根支撑辊子在试件长度方向上关于加载棍子对称。一种用于双材料界面混合模态断裂韧性测试的试件制作及测试方法，包括: 1)根据所测量材料的性质试算，得到合适的试件参数； 2)根据计算出的试件参数制作试件； 3)进行三点弯曲加载； 4)计算断裂时裂纹尖端的应力强度因子与能量释放率。步骤I)的具体过程为:①确定三点弯曲加载的跨距、试件高度、裂纹长度、试件宽度以及两种材料长度方向尺寸确定倾斜结合面的夹角的倾斜角变化范围；③用有限元法计算相位角，建立倾斜角和裂纹尖端相位角的对应关系，计算出能使相位角在0~90°之间变化的结合面倾斜角的范围；在此范围内选择5、个倾斜角以产生5、个相位角，对应每个倾斜角制作5~10个试件。相位角的有限元计算法采用位移外推法、应力外推法或交互积分法。所述三点弯曲加载的跨距根据三点弯曲国标规定和试件材料的不同选用20mm或30mmo步骤2)的具体过程为:对应每个倾斜角的角度制作5~10个试件，在倾斜的结合面上预制初始裂纹。步骤3)的具体过程为:在`材料试验机上对每一个试件分别进行三点弯曲试验，以设定的速率加载，直到试件断裂，并记录载荷-位移曲线。步骤4)的具体过程为:用有限元法计算断裂时裂纹尖端的应力强度因子和能量释放率；将每个试件的断裂载荷分别加入上述建立的有限元模型中，用步骤I)中所述位移外推法、应力外推法或交互积分法计算应力强度因子&、K2,用虚拟裂纹闭合法或J积分法计算能量释放率G。本专利技术的有益效果是，本专利技术中的双材料斜切口三点弯曲试件用于测试混合模态界面断裂韧性，试件几何形状简单，在普通的材料试验机上用三点弯曲方法加载即可得到0、0°范围内的断裂韧性值，尤其适合于脆性材料。采用本专利技术中的测试试样可以方便地获得双材料界面的混合模态断裂韧性值，为界面质量评价以及界面或整体的力学行为研究提供一种有效途径，对于材料或性能设计与开发、结构的优化设计具有举足轻重的意义。【附图说明】图1是本专利技术中测试试件的几何形状以及三点弯曲夹具的位置图。图2是a=0.5% 7/V取不同数值时，^随沒值的变化曲线。图3是7=r，a/V取不同数值时，^随0值的变化曲线。【具体实施方式】下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。本专利技术提出一种双材料斜切口三点弯曲试件用于测试混合模态界面断裂韧性。试件的几何形状如图1所示。试件是由材料I和材料2组成的长方体，两种材料右结合面为垂直面，左结合面与水平面呈0角，裂纹位于材料I和材料2左结合面上。长方体上方设置加载辊子，下方设置两个支撑辊子，加载棍子位于左侧结合面与长方体底部交线的正上方，两个支撑辊子在试件长度方向上关于加载棍子对称。两支撑辊子之间的距离为7，图1中右侧材料I的长度，长方体左端与加载辊子的中心距例均为h。I2为长方体底部两个结合面之间的距离。具体的试件设计与测试步骤如下: I)根据所测量材料的性质进行试算，得到合适的试件参数。①确定三点弯曲加载的跨距，一般根据三点弯曲国标规定和试件材料的不同选用20mm 或 30mm。②建立试件有限元模型，用位移外推法、应力外推法或者交互积分法等计算相位角^，得到7/V、a/V的不同取值对相位角^的影响,并结合实际情况确定试件高度#、裂纹长度a。通过大量试算，推荐7/V=0.8~^，裂纹长度^/#=。.*^)^。推荐7:和72的取值范围为J1Ar=I~1.5，I2为I~4mm。推荐试件宽度b的取值范围为4~10mm。以位移外推法为例对上述有限元法计算相位角过程进行详细描述。建立与试件几何外形相同的有限元模型，加载任意载荷值，进行有限元静力分析，得到裂纹尖端后面5~10对节点位移的数值解，并代入下式计算各节点的应力强度因子:本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于双材料界面混合模态断裂韧性测试的试件，其特征是，包括由两块第一种材料块和一块第二种材料块紧密结合共同组成一长方体，两块第一种材料块分别紧密设置于第二种材料块的两侧，且其中一块第一种材料块与第二种材料块紧密结合面垂直于水平面，另一块第一种材料块与第二种材料块紧密结合面与水平面之间有夹角，与水平面之间有夹角的结合面上设置有预制裂纹。
【技术特征摘要】
1.一种用于双材料界面混合模态断裂韧性测试的试件，其特征是，包括由两块第一种材料块和一块第二种材料块紧密结合共同组成一长方体，两块第一种材料块分别紧密设置于第二种材料块的两侧，且其中一块第一种材料块与第二种材料块紧密结合面垂直于水平面，另一块第一种材料块与第二种材料块紧密结合面与水平面之间有夹角，与水平面之间有夹角的结合面上设置有预制裂纹。2.根据权利要求1所述的试件，其特征是，所述两块第一种材料块的底部各设有一根相互平行的支撑辊子。3.根据权利要求2所述的试件，其特征是，所述第二种材料块的上部设有一根加载辊子。4.根据权利要求3所述的试件，其特征是，所述加载棍子位于与水平面之间有夹角的结合面和试件底面交线的正上方，所述两根支撑辊子在试件长度方向上关于加载棍子对称。5.一种用于双材料界面混合模态断裂韧性测试的试件制作及测试方法，其特征是，包括: 1)根据所测量材料的性质试算，得到合适的试件参数； 2)根据计算出的试件参数制作试件； 3)进行三点弯曲加载； 4)计算断裂时裂纹尖端的应力强度因子与能量释放率。6.如权利要求5所述的方法，其特征是，步骤I)的具体过程为:①确定三点弯曲加载的跨距、试件高度、裂纹长度、试件宽...
【专利技术属性】
技术研发人员：张松，王高琦，张庆，闫续范，赵斌，陈艳，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：
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