[发明专利]用于双材料界面混合模态断裂韧性测试的试件及测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种测试试件及测试方法，尤其是一种用于双材料界面混合模态断裂韧性测试的试件及测试方法。

背景技术

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(K₁)、II型(K₂)和III型(K₃)断裂韧性。实际工程中的界面断裂通常是I-II型混合模态断裂，模态的混合程度用相位角ψ来表示，ψ=arctan(K₂/K₁)。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I-II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。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种用于双材料界面混合模态断裂韧性测试的试件及测试方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

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1)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；②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5~9个倾斜角以产生5~9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30mm。

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1)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K₁、K₂，用虚拟裂纹闭合法或J积分法计算能量释放率G。