[发明专利]用于张开型动态断裂韧性测试的实验装置以及方法

说明书

本发明提供一种用于张开型动态断裂韧性测试的实验装置，入射杆加载端夹具与入射杆密封连接，透射杆支撑端夹具与透射杆密封连接；试样两端与入射杆加载端夹具及透射杆支撑端夹具同为密封连接。步骤1：纯I型动态断裂实验；步骤2：数据处理及ABAQUS有限元建模方法；步骤3：实验‑数值法计算动态应力强度因子；步骤4：应变法确定起裂时间。本发明实验方法简单，易实现纯I型断裂，动态应力强度因子计算方法准确，I型断裂韧性计算结果准确，适用于多种材料的纯I型动态断裂研究。

技术领域

本发明属于材料力学技术领域，涉及一种用于张开型动态断裂韧性测试的实验装置。

背景技术

断裂是材料或构件最危险的失效形式。在国防军事及航空航天等工程领域其主要零部件发生断裂而导致整个设备无法正常运作的现象时常发生。所以需加强对断裂的深入认识。根据受力形式不同，断裂分为张开型(I型)、滑移型(II型)以及剪切型(III型)。断裂韧性K_Id是表征材料断裂特性的参数。因此研究不同材料在高加载速率下的纯I型动态断裂力学行为显得尤为重要。

纵观断裂力学发展史，准静态断裂实验已有成熟的标准方法体系。而动态断裂韧性的测试方法，却十分匮乏。早期大多采用落锤、摆锤冲击试验机。但存在以下缺陷：一，载荷信号振荡。二，起裂时间不是最大载荷处，这证明其具有不严谨性。三，加载速率限于10⁵MPa·m^1/2/s，达不到试样平面应变要求。

此外，学者对霍普金森压杆装置(SHPB)改进，设计出单点弯曲，三点弯曲以及四点弯曲的实验设备。如文献：孙坤.30CrMnSiNi2A钢断裂性能实验研究[D].北京:北京理工大学,2016:39-40，记载有将加载端设计为楔形，见图1，通过支撑装置实现I型加载。此方法存在两点缺陷：一是当应力波传播到加载端的变截面时，应力波发生反射，作用于试样的入射应力不完整，上升沿变缓，弥散效应变大。其二，透射信号无法获取。

改进试样结构。其中包括巴西圆盘、半圆盘三点弯以及紧凑拉伸试样等。文献：Chen R,Xia K,Dai F,et al.Determination of dynamic fracture parameters using asemi-circular bend technique in split Hopkinson pressure bar testing[J].Engineering Fracture Mechanics,2009,76(9):1268-1276，记载有采用半圆盘三点弯试样，如图2。此方法局限性在I型断裂韧性的计算需特定公式，且材料限于岩石、玻璃等。此外，由于支撑端尺寸小，也会存在试样无法完全断裂及摩擦损耗的现象，对于研究纯I型动态断裂特性引入新的问题。

发明内容

本发明基于SHPB技术提出了一种新型纯I型动态断裂实验方法并设计了配套的试验件及夹具。该方法的加载端的夹具设计满足与压杆的广义波阻抗匹配要求，支撑端的夹具设计满足试样跨距与厚度的比例要求，小尺寸三点弯试样结构满足平面应变的条件，且易起裂，可避免现有实验方法中所存在的实验装置复杂、无法直接获取透射波，试样不满足平面应变条件以及材料成本高昂等问题。

本发明所采用的技术方案是；

用于张开型动态断裂韧性测试的实验装置，包括入射杆加载端夹具、透射杆支撑端夹具及试样；

所述的入射杆加载端夹具与入射杆密封连接，并使用塑料套筒固定；

所述的透射杆支撑端夹具与透射杆密封连接，并使用塑料套筒固定；

试样两端与入射杆加载端夹具及透射杆支撑端夹具同为密封连接。

入射杆加载端夹具包括加载端圆柱底座，加载端圆柱底座一端与入射杆密封连接，另一端上设有一个加载端，并使用薄壁塑料套筒固定；加载端的头部为设有倒圆的加载端顶端，使试样与入射杆加载端夹具为线线接触；