[发明专利]一种重载冲击下材料表面抗开裂能力的测试装置及方法

权利要求书

1.一种重载冲击下材料表面抗开裂能力的测试装置，其特征在于：包括直角三通(10)，与直角三通(10)的水平入口连通的撞球运动管路(1)，与直角三通(10)的水平出口连通的撞球加速管路(11)，与直角三通(10)的直角入口连通的高压气体管路(2)，所述撞球运动管路(1)、高压气体管路(2)和撞球加速管路(11)各安装至少一个球阀，高压气体管路(2)与高压气体(3)连通，连通的管路上设置有气体减压阀(2-2)，撞球运动管路(1)和撞球加速管路(11)通过气体管道支撑装置(8)固定支撑在支撑平台(7)上；还包括测试样品台及碰撞角度调节装置(4)，测试样品台及碰撞角度调节装置(4)包括作为碰撞角度调节装置的立杆(4-1)以及与立杆(4-1)铰接的测试样品台(4-2)，立杆(4-1)通过销钉穿入立杆上不同位置的销钉孔固定在支撑平台(7)上，测试样品台(4-2)上固定测试样品(5)，位于测试样品台(4-2)底部的支撑平台(7)的抽屉内设置有撞球回收盘(6)；测试时，所述撞球加速管路(11)的下部以及测试样品台及碰撞角度调节装置(4)通过透明材质的安全防护罩(9)包围，防止撞球在高速撞击测试样品(5)表面反弹后造成的人员及设备安全损害；在撞球加速管路(11内通过高压气体将具有一定密度和尺寸的撞球加速，高速的撞球以一定的速度和角度撞击到测试样品(5)表面，通过撞球对测试样品(5)表面高速撞击引起的高水平瞬时冲击载荷模拟破碎机锤头、盾构刀具、采矿机械刀具、轧钢辊机械构件工作过程中受到的外界载荷；最终以材料表面出现裂纹的临界撞击速度、瞬时接触应力或裂纹的长度和密度作为衡量测试材料在重载冲击下表面抗开裂能力的评价标准。

2.如权利要求1所述的一种重载冲击下材料表面抗开裂能力的测试装置，其特征在于：所述固定支撑撞球加速管路(11)的气体管道支撑装置(8)下部的底板设置斜坡，撞球回收盘(6)上部的支撑平台(7)的基板开有孔洞；撞球与测试材料(5)表面撞击后通过下部底板的斜坡设计最终通过基板表面的孔洞自动掉入支撑平台(7)抽屉内的撞球回收盘内(6)，实现撞球的有效回收。

3.如权利要求1所述的一种重载冲击下材料表面抗开裂能力的测试装置，其特征在于：所述撞球运动管路(1)、高压气体管路(2)和撞球加速管路(11)上分别安装有用以投放撞球及防止撞球在高压气体作用下逆行回弹的第一球阀(1-1)、切断与连接高压气体的第二球阀(2-1)和用以释放撞球的第三球阀(11-1)；撞球运动管路1入口设置撞球进入漏斗(1-2)。

4.如权利要求1所述的一种重载冲击下材料表面抗开裂能力的测试装置，其特征在于：所述高压气体(3)为置于高压气瓶内的氮气或氦气，或置于空气压缩机内的压缩空气。

5.如权利要求1所述的一种重载冲击下材料表面抗开裂能力的测试装置，其特征在于：撞球与测试样品(5)撞击时的瞬时应力通过撞球材料的材质和撞球的速度调节在50MPa到5GPa范围内；对于给定材质和尺寸的撞球，其撞击速度通过加速气体的气压0.3-5MPa在10m/s到150m/s范围内调节。

6.如权利要求1所述的一种重载冲击下材料表面抗开裂能力的测试装置，其特征在于：撞球送入撞球运动管路(1)与高压气体管路(2)以90o夹角通过直角三通(10)连接汇合后通入撞球加速管路(11)，撞球加速管路(11)与撞球运动管路(1)管径相同且方向一致以保证撞球在加速过程中以直线运动，避免撞球在管路内发生卡壳并实现最大程度的加速。

7.如权利要求1所述的一种重载冲击下材料表面抗开裂能力的测试装置，其特征在于：所述撞球为金属球、陶瓷球或硬质合金球；撞球的直径略小于撞球运动撞球运动管路(1)的内径使撞球能够顺利进入撞球运动管路(1)的同时，保证撞球与管壁之间具有较小的间隙，从而实现撞球的有效加速；撞球直径为7/8-15/16的撞球运动管路内径。

8.如权利要求1所述的一种重载冲击下材料表面抗开裂能力的测试装置，其特征在于：撞球对测试样品(5)的撞击角度通过测试样品台及碰撞角度调节装置(4)中立杆(4-1)的上下移动在10°至90°范围内调整。

9.权利要求1至8任一项所述的重载冲击下材料表面抗开裂能力的测试装置的测试方法，其特征在于：包括如下步骤：

I)打开安全防护罩(9)，将测试样品(5)通过螺丝固定在测试样品台(4-2)上并通过立杆4-1将测试样品(5)调节至测试所需的碰撞角度，关闭安全防护罩(9)；

II)打开高压气体(3)并按照测试要求调节气体减压阀(2-2)设定所需的气体压力；在第三球阀(11-1)或第一球阀(1-1)打开的情况下，关闭第二球阀(2-1)防止高压气体(3)进入撞球运动管路(1)；关闭第三球阀(11-1)，打开第一球阀(1-1)，将撞球通过撞球进入漏斗(1-2)装入撞球运动管路(1)并通过自重到达第三球阀(11-1)处；

III)关闭第一球阀(1-1)，打开第二球阀(2-1)使高压气体(3)进入撞球所在的撞球加速管路(11)；

IV)迅速打开三球阀(11-1)，高压气体(3)携带撞球迅速撞击到测试样品(5)表面，撞击完毕后，关闭第二球阀(2-1)；

V)对于多次撞击试验，重复以上II、III、VI过程直至到达所需撞击次数；对于单次撞击试验，打开安全防护罩(9)，取出测试样品(5)，对测试样品(5)表面的开裂情况进行统计；如需测量裂纹密度和长度则通过体视显微镜进行观察测试。