微型楔形劈裂试验装置及准脆性材料断裂参数测试方法与流程

1.本发明涉及楔形劈裂装置技术领域，尤其涉及一种微型楔形劈裂试验装置及准脆性材料断裂参数测试方法。


背景技术：

2.材料强度以及断裂能的准确测量对于新材料开发、质量控制、服役安全评价以及数值模拟参数获取等至关重要。对于耐火材料、混凝土和岩石这类准脆性材料，其拉伸强度远小于耐压强度等，因此模式i拉伸损毁测试方法的开发一直以来是本领域的关注焦点。拉伸试验可分为直接和非直接两类，由于直接拉伸测试制样困难、夹具复杂、受载同轴性难以保证，因此非直接拉伸测试被广泛采用。其中，楔形劈裂试验是目前广泛应用的一类非直接拉伸测试方法，其具备以下优点：通过采用较大的块状试样，提高断裂截面/试样体积比；采用楔子、滚轴等传力部件，将纵向加载转化为横向载荷，降低了试样内的弹性储能，保证准脆性材料断裂过程中裂纹的稳定扩展，并减少试样边界对断裂过程区发展的限制，有利于断裂参数的准确测量。
3.然而，为达到稳定断裂过程，现有标准楔形劈裂试验装置及现有用于测试的楔形劈裂装置一般尺寸较大(厚度最少为65mm以上)，对于一些冶炼连铸功能部件(如长水口壁厚小于30mm)尺寸较小部位的测试样品，采用大尺寸劈裂测试所获材料性能与其实际服役力学性能有明显差异，无法满足实际工程的使用需求。
4.有鉴于此，有必要设计一种微型楔形劈裂试验装置及准脆性材料断裂参数测试方法，以解决上述问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种能解决小尺寸功能部件服役性能与材料本征性能差异较大的工程问题的微型楔形劈裂试验装置及准脆性材料断裂参数测试方法。
6.为实现上述发明目的，本发明提供了一种微型楔形劈裂试验装置，包括微型试样、位于所述微型试样上部的凹槽以及放置在所述凹槽内的传力部件，所述传力部件包括依次相接的楔块、滚柱和传力块，和现有标准楔形劈裂试验装置相比，所述微型试样的断裂截面与其体积比值的增大幅度大于等于1.8倍，所述微型试样的肩宽与其半宽度的比值降低程度在10％以内，所述现有标准楔形劈裂试验装置的断裂截面与其体积比为0.0066/mm，试样肩宽与试样半宽度的比值为0.76。
7.作为本发明的进一步改进，所述微型试样的厚度为28-32mm、长度为48-52mm、宽度为48-52mm。
8.作为本发明的进一步改进，所述滚柱直径为3-4mm，所述传力块的厚度≤5mm。
9.作为本发明的进一步改进，所述传力块斜面与竖直方向的斜角为5
°
。
10.作为本发明的进一步改进，所述楔块的楔角为10
°
。
11.作为本发明的进一步改进，所述凹槽的高度和宽度分别为11-13mm和15-17mm。
12.作为本发明的进一步改进，所述微型试样的预制初始裂纹长度和宽度分别为5-7mm和1.5-2.5mm。
13.作为本发明的进一步改进，所述微型试样底部设置有支撑条。
14.本发明还提供了一种准脆性材料断裂参数测试方法，根据上述技术方案中任一技术方案所述的微型楔形劈裂试验装置进行试验，包括如下步骤：
15.s1、在试验机中轴线正下方放置支撑条，再将微型试样放置于支撑条上，使其两侧悬空，以保证劈裂过程中微型试样两侧自由偏转不受外力约束；
16.s2、在凹槽内左右两侧放置传力块，并使其外壁与凹槽内侧紧密贴合；在传力块内侧分别放置滚轮与楔块；
17.s3、测试机压头缓慢下降，与楔块上端部轻微接触达到预定入口力；
18.s4、设置预定的加载速度，启动试验，记录纵向位移δ
v-载荷fv曲线；
19.s5、待峰后载荷降低到峰值15％时，停止试验。
20.作为本发明的进一步改进，所述入口力为18-22n，所述加载速度为0.08-0.12mm/min。
21.本发明的有益效果是：
22.1.本发明通过控制断裂截面与试样体积的比值和现有标准楔形劈裂试验装置相比增大幅度大于等于1.8倍，并使试样肩宽和试样半宽度的比值与现有标准楔形劈裂试验装置相比降低程度在10％以内，从而能在减小楔形劈裂试验装置尺寸的基础上，保证裂纹在中心部位形成，而非在试样肩部处发生断裂，并进行稳定扩展，同时通过将载荷速率限定为0.1mm/min左右，能保证微型劈裂测试过程能量的稳定释放，获得稳定的峰后区以及断裂能释放过程，使得本发明的微型楔形劈裂试验装置适用于小尺寸功能部件的性能检测，且通过本发明的测试方法得到的断裂参数与其实际服役力学性能无明显差异，满足实际工程应用需求。
23.2.本发明的准脆性材料断裂参数测试方法，试验归一性好，操作简单，尤其是在较小尺寸的功能部件实际服役力学性能研究方面明显优于现有的楔形劈裂测试方法，能极大地帮助较小尺寸功能部件相关的新材料开发、服役安全评价以及数值模拟参数获取等。
附图说明
24.图1为实施例1的装置示意图。
25.图2为实施例1的装置尺寸示意图。
26.图3为实施例1的传力部件尺寸示意图。
27.图4为实施例1的位移-载荷曲线结果。
28.附图标记
29.1、微型试样；2、楔块；3、滚柱；4、传力块；5、支撑条。
具体实施方式
30.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
31.在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅
示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
32.另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
33.本发明提供了一种微型楔形劈裂试验装置，包括微型试样1、位于微型试样1上部的凹槽以及放置在凹槽内的传力部件，所述传力部件包括依次相接的楔块2、滚柱3和传力块4，和现有标准楔形劈裂试验装置相比，所述微型试样1的断裂截面与其体积比值的增大幅度大于等于1.8倍，所述微型试样1的肩宽与其半宽度的比值降低程度在10％以内，所述现有标准楔形劈裂试验装置的断裂截面与其体积比为0.0066/mm，试样肩宽与试样半宽度的比值为0.76。
34.具体的，所述微型试样1的厚度为28-32mm、长度为48-52mm、宽度为48-52mm；凹槽的高度和宽度分别为11-13mm和15-17mm；预制初始裂纹长度和宽度分别为5-7mm和1.5-2.5mm。
35.具体的，楔块2的楔角为10
°
，滚柱3直径为3-4mm，传力块4斜角为5
°
，传力块4的厚度≤5mm。通过对滚柱3大小进行控制，从而避免因滚柱3过小导致摩擦力变大以及滚柱3产生变形，进而对断裂参数计算产生不良影响。
36.具体的，滚柱3设置有两条，楔块2位于两条滚柱3中心位置，并与两条滚柱3相接；传力块4设置有两块，左滚柱通过左传力块与微型试样1相接，右滚柱通过右传力块与微型试样1相接。
37.具体的，微型试样1底部设置有支撑条5。
38.本发明还提供了一种准脆性材料断裂参数测试方法，根据上述技术方案中任一技术方案所述的微型楔形劈裂试验装置进行试验，包括如下步骤：
39.s1、在试验机中轴线正下方放置支撑条5，再将微型试样1放置于支撑条5上，使其两侧悬空，以保证劈裂过程中微型试样1两侧自由偏转不受外力约束；
40.s2、在凹槽内左右两侧放置传力块4，并使其外壁与凹槽内侧紧密贴合；在传力块4内侧分别放置滚轮与楔块2；
41.s3、测试机压头缓慢下降，与楔块2上端部轻微接触达到18-22n的入口力；
42.s4、设置预定的加载速度，启动试验，记录纵向位移δ
v-载荷fv曲线；
43.s5、待峰后载荷降低到峰值15％时，停止试验。
44.具体的，步骤s4中，所述加载速度为0.08-0.12mm/min。
45.具体的，通过纵向载荷换算得到横向载荷fh，fh的计算公式为：
[0046][0047]
其中，β为楔角，等于10
°
；fv为纵向载荷。
[0048]
具体的，通过最大横向载荷f
h,max
计算拉伸强度σ
nt
，σ
nt
的计算公式如下：
[0049]
[0050]
其中，b和h分别为断裂截面的高和宽，为常数；y为滚轮与微型试样1重心的垂直距离。
[0051]
具体的，通过位移-载荷曲线线下面积积分除以断裂截面即可获得断裂能gf，得到形成单位面积的断裂面所需要消耗的能量，gf的计算公式如下：
[0052][0053]
具体的，通过拉伸强度以及断裂能，计算材料特征长度l
ch
：
[0054][0055]
其中，e为弹性模量，特征长度数值越小表明材料脆性越高。
[0056]
下面结合具体的实施例对本发明提供的微型楔形劈裂试验装置及准脆性材料断裂参数测试方法进行说明。
[0057]
实施例1
[0058]
本实施例提供了一种微型楔形劈裂试验装置，如图1-图3所示，微型试样1外形尺寸为50mm
×
50mm
×
30mm，凹槽高度和宽度分别为12mm和16mm，预制初始裂纹长度和宽度分别为6mm和2mm；传力部件中楔块2(图3a)的楔角为10
°
，滚柱3(图3c)直径为3.5mm，传力块4(图3b)斜面与竖直方向的斜角为5
°
，传力块4的厚度为5mm。
[0059]
现有标准楔形劈裂试验装置的断裂截面为4224(mm2)，断裂截面/试样体积为0.0066/mm，初始裂纹/试样宽度为12:100，试样肩宽/试样半宽度为0.76，加载速率0.5mm/min。
[0060]
本实施例中，微型楔形劈裂试验装置的断裂截面为：(50-6-12)*30＝960(mm2)；断裂截面与试样体积比为：960/(50*50*30)＝0.0128/mm；初始裂纹与试样宽度比为：6:50；试样肩宽为：(50-16)/2＝17(mm)，试样肩宽与试样半宽度比为：17/25＝0.68。
[0061]
与标准楔形劈裂试验装置相比，虽然所述微型楔形劈裂试验装置的断裂截面仅为标准楔形劈裂试验装置的23％，但是保持了初始裂纹与试样宽度比值不变，断裂截面与试样体积比值提高约2倍，试样肩宽与试样宽度比仅降低10％，同时降低加载速率为0.1mm/min，从而能在减小楔形劈裂试验装置尺寸的基础上，保证裂纹在中心部位形成，而非在试样肩部处发生断裂，并进行稳定扩展。
[0062]
本实施例还提供了一种准脆性材料断裂参数测试方法，试验材料为三组冶金流程连铸功能部件耐火陶瓷材料a、b和c，其脆性依次增加，其中a和b为氧化铝碳复合材料，c为氧化锆碳复合材料。对三组材料开展准脆性材料断裂参数测试试验，每种试验进行5个平行试验，采用上述微型楔形劈裂试验装置进行检测，包括如下步骤：
[0063]
s1、在试验机中轴线正下方放置支撑条5，再将微型试样1放置于支撑条5上，使其两侧悬空，以保证劈裂过程中微型试样1两侧自由偏转不受外力约束；
[0064]
s2、在凹槽内左右两侧放置传力块4，并使其外壁与凹槽内侧紧密贴合；在传力块4内侧分别放置滚轮与楔块2；
[0065]
s3、测试机压头缓慢下降，与楔块2上端部轻微接触达到20n的入口力；
[0066]
s4、设置加载速度为0.1mm/min，启动试验，记录纵向位移δ
v-载荷fv曲线；
[0067]
s5、待峰后载荷降低到峰值15％时，停止试验。
[0068]
其中，b和h分别为30mm和32mm，y为32mm，a、b以及c三种材料e依次为13.9gpa、16.6gpa、9.7gpa。
[0069]
其位移-载荷曲线如图4所示，断裂参数计算结果如表1所示。
[0070]
表1三组耐火陶瓷材料a、b和c的断裂参数计算结果
[0071] f
v，max
(n)f
h，max
(n)σ
nt
(mpa)gfn/m)1
ch
(mm)a116.31
±
7.79664.65
±
44.524.90
±
0.38203.01
±
15.38117.30
±
15.38b98.34
±
10.00561.93
±
57.174.23
±
0.29124.94
±
19.04116.03
±
21.66c92.67
±
4.47529.55
±
25.543.65
±
0.281.31
±
11.1558.96
±
5.41
[0072]
由图3可知，采用本发明的微型楔形劈裂试验装置对小尺寸功能部件进行检测测得的位移-载荷曲线为平滑的曲线，且检测结果较为稳定，耐火陶瓷材料呈现稳定裂纹扩展的峰后区，并且可以有效获得材料断裂参数，且三组准脆性材料的断裂参数结果与服役性能预期相符，避免了出现因楔形劈裂试验装置的断裂截面与现有标准楔形劈裂试验装置相比降低较大、以及断裂界面与试样体积比值或试样肩宽和试样宽度的比值与现有标准楔形劈裂试验装置不同导致的检测过程中裂纹扩展不稳定以及在肩端形成裂纹的情况，从而保证检测的准确性。
[0073]
综上所述，本发明公开的微型楔形劈裂试验装置及准脆性材料断裂参数测试方法，通过控制断裂截面与试样体积的比值和现有标准楔形劈裂试验装置相比增大幅度大于等于1.8倍，并使试样肩宽和试样半宽度的比值与现有标准楔形劈裂试验装置相比降低程度在10％以内，从而能在减小楔形劈裂试验装置尺寸的基础上，保证裂纹在中心部位形成，而非在试样肩部处发生断裂，并进行稳定扩展，同时通过将载荷速率限定为0.1mm/min左右，能保证微型劈裂测试过程能量的稳定释放，获得稳定的峰后区以及断裂能释放过程，使得本发明的微型楔形劈裂试验装置适用于小尺寸功能部件的性能检测，且通过本发明的测试方法得到的断裂参数与其实际服役力学性能无明显差异，满足实际工程应用需求。
[0074]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种微型楔形劈裂试验装置，其特征在于：包括微型试样、位于所述微型试样上部的凹槽以及放置在所述凹槽内的传力部件，所述传力部件包括依次相接的楔块、滚柱和传力块，和现有标准楔形劈裂试验装置相比，所述微型试样的断裂截面与其体积比值的增大幅度大于等于1.8倍，所述微型试样的肩宽与其半宽度的比值降低程度在10％以内，所述现有标准楔形劈裂试验装置的断裂截面与其体积比为0.0066/mm，试样肩宽与试样半宽度的比值为0.76。2.根据权利要求1所述的微型楔形劈裂试验装置，其特征在于：所述微型试样的厚度为28-32mm、长度为48-52mm、宽度为48-52mm。3.根据权利要求2所述的微型楔形劈裂试验装置，其特征在于：所述滚柱直径为3-4mm，所述传力块的厚度≤5mm。4.根据权利要求3所述的微型楔形劈裂试验装置，其特征在于：所述传力块斜面与竖直方向的斜角为5
°
。5.根据权利要求3所述的微型楔形劈裂试验装置，其特征在于：所述楔块的楔角为10
°
。6.根据权利要求2所述的微型楔形劈裂试验装置，其特征在于：所述凹槽的高度和宽度分别为11-13mm和15-17mm。7.根据权利要求6所述的微型楔形劈裂试验装置，其特征在于：所述微型试样的预制初始裂纹长度和宽度分别为5-7mm和1.5-2.5mm。8.根据权利要求1所述的微型楔形劈裂试验装置，其特征在于：所述微型试样底部设置有支撑条。9.一种准脆性材料断裂参数测试方法，其特征在于，根据权利要求1～8中任一项所述的微型楔形劈裂试验装置进行试验，包括如下步骤：s1、在试验机中轴线正下方放置支撑条，再将微型试样放置于支撑条上，使其两侧悬空，以保证劈裂过程中微型试样两侧自由偏转不受外力约束；s2、在凹槽内左右两侧放置传力块，并使其外壁与凹槽内侧紧密贴合；在传力块内侧分别放置滚轮与楔块；s3、测试机压头缓慢下降，与楔块上端部轻微接触达到预定入口力；s4、设置预定的加载速度，启动试验，记录纵向位移δ
v-载荷fv曲线；s5、待峰后载荷降低到峰值15％时，停止试验。10.根据权利要求9所述的准脆性材料断裂参数测试方法，其特征在于：所述入口力为18-22n，所述加载速度为0.08-0.12mm/min。

技术总结
本发明公开了一种微型楔形劈裂试验装置及准脆性材料断裂参数测试方法，包括微型试样、位于微型试样上部的凹槽及传力部件，传力部件包括依次相接的楔块、滚柱和传力块，和现有标准楔形劈裂试验装置相比，微型试样的断裂截面与其体积比值的增大幅度大于等于1.8倍，微型试样的肩宽与其半宽度的比值降低程度在10％以内。通过对断裂截面/试样体积以及试样肩宽/试样半宽度的控制，能在减小楔形劈裂试验装置尺寸的基础上，保证裂纹在中心部位形成并进行稳定扩展，同时通过将载荷速率限定为0.1mm/min左右，能保证微型劈裂测试过程能量的稳定释放，使得本发明的微型楔形劈裂试验装置适用于小尺寸功能部件的断裂性能检测。置适用于小尺寸功能部件的断裂性能检测。置适用于小尺寸功能部件的断裂性能检测。


技术研发人员：戴亚洁 白光照 易献勋 李亚伟 鄢文
受保护的技术使用者：维苏威高级陶瓷(中国)有限公司
技术研发日：2023.04.11
技术公布日：2023/8/5