[发明专利]温压环境下静态半圆盘三点弯曲断裂韧性测量装置及方法

说明书

温压环境下静态半圆盘三点弯曲断裂韧性测量装置及方法,属于机械、工程地质、土木工程等工程技术领域,它包括温压控制装置、半圆盘三点弯曲加载装置和试样夹持装置；所述半圆盘三点弯曲加载装置位于温压控制装置内部，所述试样夹持装置位于半圆盘三点弯曲加载装置的活动底板上。测量方法包括加工含预制裂纹的半圆盘试样；检查温压控制装置，测量加载部分的阻力；测量半圆盘断裂韧性。本发明在在测试中通过可视窗实时观察裂纹起裂和扩展过程，及时排除无效实验数据；加载部分和试样取装部分相互独立，防止多次使用时因为加载部分定位不准引起的密封性降低和测试误差增加，节约流体用量和增压所需功耗。

技术领域

本发明属于工程力学中岩石、混凝土等弹脆性材料的实验设备技术领域，涉及一种静态半圆盘三点弯曲断裂韧性测量装置，尤其是能测量可控温度和压强的气体或液体环境下材料的断裂韧性。

背景技术

材料断裂韧性的测试用于构建断裂力学的裂纹扩展准则。通过裂纹扩展准则结合实际问题的几何结构可以进一步确定其破坏的临界载荷；对于复杂问题，也可以用于数值计算中建立裂纹扩展模型，得到结构的破坏形式，从而用于优化结构设计、评估已有结构的承载能力等领域。

目前静态半圆盘三点弯曲实验主要用于测量岩石、混凝土等弹脆性材料的断裂韧性。对于这些弹脆性材料，现有测量断裂韧性的方法包括：半圆盘三点弯曲、巴西圆盘劈裂、梁的三点弯曲、紧凑拉伸等，半圆盘三点弯曲实验由于其实施简单、试样用料节约而广泛应用。当前对材料的三点弯曲实验多在常温常压下进行，实验中，半圆盘沿对称轴有预制裂纹，当圆盘的顶部和两角点受力达到某临界值时，裂纹扩展导致半圆盘破坏，通过该临界值推导出材料的断裂韧性。

然而诸多材料长期处于非常温常压的流体环境中，例如：地下千米以深的天然油气储层、核设施中的混凝土等，这些材料的断裂韧性测试需要模拟其所处的真实环境。随着温度升高，材料表现出刚度降低、塑性升高、强度减弱、蠕变增强等现象；随着压强升高，岩石、混凝土等材料的内部孔隙被压缩，其力学性质将进一步发生变化。如果继续在常温、常压下进行测量，材料的断裂韧性与真实环境中的数值不再相等。

发明内容

为了克服现有的半圆盘三点弯曲设备不能测量温压环境下材料的断裂韧性的不足，本发明提供一种测试装置，该装置可以调节试样所处液体或气体环境的温度和压强，模拟材料所处的真实环境。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：将用于三点弯曲的压头和支座置于压力釜中，压力釜内壁面覆盖绝缘材料和电热丝以提高温度，使用伺服泵泵入气体或者液体以增加压强，通过温度和压强传感器实时控制釜内温度和压强。整个装置为上下结构，其中压头在上、支座在下，压头和支座均为半圆柱体，轴线相互平行。压力釜内定向放置活动底板，用于三点弯曲的支座、试样夹持装置固定在底板上，可以通过活动底板更换试样。用于三点弯曲的半圆柱形压头固定在圆柱体压柱底部，通过压柱另一端施加作用力，并且使用圆形密封导向圈辅助压柱的移动，压柱行程为15mm。压力釜顶底盖由螺纹连接，方便试样的装取。压力釜侧面面向试样安装可视窗，用于检查试样加载前是否处于正确位置，以及加载过程中试样是否产生非正常滑动。

本发明的有益效果是：可以在可控温度和压强环境下，测量材料的断裂韧性，模拟材料所处的真实环境；可以在测试中实时观察裂纹起裂和扩展过程，及时排除无效实验数据；加载部分和试样取装部分相互独立，防止多次使用时因为加载部分定位不准引起的密封性降低和测试误差增加，节约流体用量和增压所需功耗。

附图说明

图1是本发明装置的外形图。

图 2本发明装置的结构图。

图 3是活动底板上试样夹持装置的结构图。

图4是试样形状图。