[发明专利]一种适用于三维复合型裂纹扩展测试的加载装置及方法

权利要求书

1.一种适用于三维复合型裂纹扩展测试的加载装置，其特征在于：所述加载装置包括内部夹具、外部夹具、被测试件和测试系统；内部夹具可以固定和连接被测试件(5)，外部夹具与测试系统中的试验机(11)连接；内部夹具和外部夹具之间用螺栓(6)连接；内部夹具包括圆形衬套(3)和销轴(4)，在安装时销轴(4)穿过圆形衬套(3)上的通孔连接被测试件(5)；外部夹具包括C型弧臂板(1)、圆板(2)、螺栓(6)、销钉(7)及试验机夹头(8)，其中C型弧臂板(1)和圆板(2)之间采用焊接连接，C型弧臂板(1)厚度方向的中线与圆板(2)的直径重合，试验机夹头(8)和C型弧臂板(1)的通孔对齐，用销钉(7)连接，螺栓(6)用来连接圆板(2)和圆形衬套(3)底座上的圆形板；测试系统包括高倍显微镜(9)、显微镜读数杆(10)、试验机(11)、控制开关(12)和测试处理系统(13)，其中高倍显微镜(9)用显微镜读数杆(10)支撑，安装在试验机(11)的平台上，控制开关(12)位于试验机(11)的前侧，可控制试验进度，测试处理系统(13)放置于试验机(11)一侧，用于记录、显示和处理试验数据。

2.根据权利要求1所述的适用于三维复合型裂纹扩展测试的加载装置，其特征在于：所述C型弧臂板(1)上均匀分布7个15°等角度径向的通孔，通过销钉(7)与位于不同角度的通孔之间的配合，实现不同类型的裂纹，包括单一的I、II、III型裂纹及其多种类型组合的三维复合型裂纹，待销钉(7)与C型弧臂板(1)通孔装配完成后，7个通孔所组成圆的圆心与被测试件(5)的中心重合。

3.根据权利要求2或是所述的适用于三维复合型裂纹扩展测试的加载装置，其特征在于：所述C型弧臂板(1)厚度比试验机夹头(8)宽度略小2-3mm，即在方便安装的情况下尽量与所述试验机夹头(8)宽度接近，这样能防止由外部夹具和内部夹具组装成的整体夹具在试验机上滑动，同时能防止产生偏心拉伸。

4.根据权利要求1所述的适用于三维复合型裂纹扩展测试的加载装置，其特征在于：所述圆形衬套(3)上开有两个相互垂直的通孔，一是为了方便与被测试件(5)通过销轴(4)连接，二是能够消除在三维复合型裂纹扩展时产生的附加力矩。

5.根据权利要求4或是所述的适用于三维复合型裂纹扩展测试的加载装置，其特征在于：所述圆形衬套(3)底座的圆形板上均匀分布24个成15°等角度径向的通孔，可实现载荷加载角度的改变。

6.根据权利要求1所述的适用于三维复合型裂纹扩展测试的加载装置，其特征在于：所述被测试件(5)两端采用圆柱体构成，方便与圆形衬套(3)连接，被测试件(5)中间部位是着重研究的部位，采用长方体构成，为了减小交接处的应力集中，所述圆柱体和长方体之间用倒角过渡。

7.根据权利要求1所述的适用于三维复合型裂纹扩展测试的加载装置，其特征在于：所述被测试件(5)长方体将会在加工时预制贯通裂纹，裂纹长度控制在长方体长度的2/5，这是因为加工预制的裂纹尖端大都是钝化的，为了产生更加真实的裂纹，需留有一定长度在试验机上用I型加载进行再次预裂。

8.根据权利要求1所述的适用于三维复合型裂纹扩展测试的加载装置，其特征在于：所述高倍显微镜(8)放大倍率为400，可以在裂纹扩展时清晰的看到裂纹所在的位置，并及时找到裂纹扩展的长度。

9.根据权利要求1所述的适用于三维复合型裂纹扩展测试的加载装置，其特征在于：旋转和移动显微镜读数杆(10)能够使高倍显微镜(9)正对裂纹前沿，方便后续对裂纹扩展的观察。

10.一种适用于三维复合型裂纹扩展测试的加载方法，其特征在于实现步骤如下：

步骤1：取裂纹前沿的中心为坐标原点建立直角坐标系，X轴平行于裂纹面并垂直于裂纹前缘，Y轴指向裂纹面的法向方向，Z轴沿着裂纹前沿，通过改变C型弧臂板(1)与试验机夹头(8)连接的通孔，调节力F在C型弧臂板(1)上偏离Y轴的角度α，实现α角度从0°到90°的变化；

步骤2：通过转动圆板(2)，改变与圆形衬套(3)连接的通孔，可以使圆板(2)与X-Y平面的夹角β实现360°变化；

当α＝0°时，被测试件(5)受到拉伸载荷；当α＝90°且β＝0°时，被测试件(5)受到平面剪切荷载；当α＝90°且β＝90°时，被测试件(5)受到反平面剪切荷载；当β＝0°且0°<α<90°时，被测试件(5)受到I+Ⅱ复合型加载；当β＝90°且0°<α<90°时，被测试件(5)受到I+III复合型加载；当α＝90°且0°<β<90°时，被测试件(5)受到Ⅱ+III复合型加载；当0°<α<90°且0°<β<90°时，被测试件(5)受到I+Ⅱ+III复合型加载，既可以实现单一的I、Ⅱ、III型三维裂纹的扩展试验，又可实现对I、Ⅱ、III多种类型组合的复合型三维裂纹的扩展测试。