無預製裂紋的材料斷裂韌性測試試樣的製作方法

2023-12-09 23:50:01 1

專利名稱：無預製裂紋的材料斷裂韌性測試試樣的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及的是工程材料常規斷裂韌性的測試試樣，尤其是 一種無預製裂紋的材料斷裂韌性測試試樣。
背景技術：
根據斷裂力學理論，只要試樣的幾何尺度足夠大，就能保證裂紋 前沿處於理想的平面應變狀態，就應該能測試出該材料的斷裂韌性 L值。但事實上，對於那些強度較低的材料，保障裂紋前沿處於平面 應變狀態所需的試樣尺度過於厚大，因此要求材料試驗機的動力規模 也就過大，實際上是無法在目前通行的材料試驗機上獲取它們的斷裂 韌性值的。當前測試方法的這種局限性是由於測試方法本身的局限性 帶來的。從某種意義上說，當今的工程結構設計，是建立在採用過於 寬鬆的抗斷裂安全係數的基礎之上才得以支撐的，實際上是付出了巨 大的材料和動力浪費的。如果能更加精確地、更為廣泛地測定用來制 造工程構件材料的斷裂韌性值，就可以使得材料的斷裂韌性參數與它 們的其它機械性能參數更好的配合起來，大大合理化工程結構設計。
傳統的斷裂韌性測試方法及派生出來的測試試樣無法將屬於外 在因素的試樣幾何形態與屬於內在因素的材料力學特性作行之有效 的區割，導致試樣尺度規模要求的材料試驗機動力規模的過大，因此 大大限制了可測試材料的範疇。再從斷裂韌性試樣本身的製備方法上 看。現有的材料斷裂韌性測試(為獲取材料的L值和Jk僮而採用的 三點彎曲試樣和緊湊拉伸試樣)，都需要首先在試樣中製造出一個宏 觀裂紋。由於預製裂紋的過程十分繁複，做出的裂紋狀況對隨後的測 試結果影響非常敏感。因此，除了上面談到的，由於試樣尺度的原因 造成的對低強度材料的不可測試性外，即使是對於可以測試的那些高 強度材料，也很容易出現由於裂紋製作過程中難以控制的不確定性導 致的測試數據的分散，降低了數據的可信程度。

實用新型內容
本實用新型的目的是針對上述試樣存在的缺陷，提供一種可以從 兩個方面同時改進當前材料斷裂韌性測試技術中的困難，同時也無需 在試樣上預製裂紋的材料斷裂韌性測試試樣。本實用新型無預製裂紋 的材料斷裂韌性測試試樣，其特徵在於它是由表面光滑的待測材料 試樣本體和複合在其光滑表面上的一層已知其機械性能參數的、具有 較高彈性模量的、可以在加載過程中首先開裂的脆性薄層構成。 所述脆性薄層是金屬陶瓷薄片或粉末冶金薄片。 所述脆性薄片通過粘合劑粘貼在待測材料試樣本體光滑表面。 所採用的粘結劑應該能保障當試樣在加載並在脆性層上引發裂 紋的全部過程中不會發生脆性層相對基體之間的滑動和剝離。
所述粘合劑是502膠水。本實用新型無預製裂紋的材料斷裂韌性
測試試樣的設計原理是在待測材料試樣本體表面複合上一層脆性薄 層。利用試樣在彎曲加載過程中脆性薄層的首先開裂之特性，直接在 待測構件本體表面"製造出" 一個裂尖塑性區來。這樣就可以根據已
知的脆性薄層的機械性能參數、脆性薄層中所形成的裂紋的尺度和已 知的外載荷狀況，確定該裂紋對裂尖處材料的加載數據。通過測定在 這些己知條件下在待測材料表面上製造出這個裂尖塑性區所需的塑 性功，並通過合理的方法外推至使得材料在單向拉伸實驗中出現內縮 頸時對應的塑性功(根據塑性力學中的"單一曲線原理")，就可以確 定出該材料在裂尖塑性區內萌生空穴時的臨界塑性功。這也就是待測 材料中裂紋尖端塑性區開始發生擴展時的臨界塑性能。
本實用新型無預製裂紋的材料斷裂韌性測試試樣設計科學，結構 簡單，製作容易，它改進了材料斷裂韌性測試中對測試構件尺度依賴 性的情形，同時該試樣實施簡單，因而可大大降低測試成本。由於待 測材料中的裂紋前沿是採用不同種類的脆性薄層間接地引入到待測 材料試樣本體表層中的，這就不再需要在被測試材料試樣體內直接預 制裂紋。或者說，脆性薄層的實質效果是將傳統中向試樣體內延伸的 裂紋反過來等效地向虛空中延伸了。由於脆性薄層較薄，引起的裂尖 塑性區較小，因此這種通過脆性薄層引入裂紋並形成裂尖塑性區的方 法可以解決由於材料強度過低而致使試樣總體尺寸過大的問題。使得 任何種類的結構材料都可以用來製成試樣的本體而實現對其進行斷 裂韌性的測試。也就是說，它的突出價值就在於使得原來採用現有斷 裂韌性測試試樣的三點彎曲試樣和緊湊拉伸試樣都無法測量的那些 結構材料變得可以測試其斷裂韌性Ku;值了。
從所述的本實用新型無預製裂紋的材料斷裂韌性測試試樣的構 成結構和工作原理不難想見，採用本實用新型試樣，可以直接測試出 形成一個裂紋尖端塑性區的塑性變形功。這個塑性功的測試參數可以 根據現有斷裂力學理論計算公式很方便地換算為目前通用的材料斷 裂韌性的KK和Ju:參數值。同時還可以想見，採用本實用新型試樣， 對于越是屈服強度低的材料，它可獲得的測試信息量越大，因而測試 結果越準確。因此它與目前通行的三點彎曲和緊湊拉伸試樣測試法在 技術上形成了一個絕佳的互補關係對於那些採用本實用新型試樣來 測試不夠靈敏的高強度材料，可以採用現行的試樣及其測試方法；而 對於用現行試樣測試誤差較大甚至無法實施的低強度材料，可以採用 本實用新型試樣及其測試方法。
本實用新型無預製裂紋的材料斷裂韌性測試試樣的具體結構由 以下附圖和實施例給出。


圖1無預製裂紋的材料斷裂韌性測試試樣結構示意圖。 具體實施方式
實施例從圖1可以清楚地看到無預製裂紋的材料斷裂韌性測試
試樣由待測材料試樣本體1和複合在其表面的一層TiC和TiN金屬陶 瓷脆性薄層2，脆性薄層2的厚度為lram。該脆性薄層2採用502膠
水粘貼在待測材料試樣本體1光滑表面。所述待測材料試樣本體1為
不鏽鋼材料，其尺寸為50X10X6mm。
以上內容是結合具體的優選實施方式對本實用新型所作的進一 步詳細說明，不能認定本實用新型的具體實施只局限於這些說明。對 於本實用新型所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新 型構思的前提下，其架構形式能夠靈活多變，如果只是做出若干簡單 推演或替換，都應當視為屬於本實用新型由所提交的權利要求書確定 的專利保護範圍。
權利要求1.一種無預製裂紋的材料斷裂韌性測試試樣，其特徵在於它是由表面光滑的待測材料試樣本體和複合在其光滑表面上的一層已知其機械性能參數的、具有較高彈性模量的、可以在加載過程中首先開裂的脆性薄層構成。
2、 根據權利要求1所述的無預製裂紋的材料斷裂韌性測試試樣， 其特徵在於所述脆性薄層是金屬陶瓷薄片或粉末冶金薄片。
3、 根據權利要求1或2所述的無預製裂紋的材料斷裂韌性測試 試樣，其特徵在於所述脆性薄片通過粘合劑粘貼在待測材料試樣本 體光滑表面。
4、 根據權利要求3所述的無預製裂紋的材料斷裂韌性測試試樣， 其特徵在於所述粘合劑是502膠水。
專利摘要一種無預製裂紋的材料斷裂韌性測試試樣，其特徵在於它是由表面光滑的待測材料試樣本體和複合在其光滑表面上的一層已知其機械性能參數的、具有較高彈性模量的、可以在加載過程中首先開裂的脆性薄層構成。本實用新型結構簡單，製作容易，它改進了材料斷裂韌性測試中對測試構件尺度依賴性的情形，同時該試樣實施簡單，因而可大大降低測試成本。採用本實用新型試樣，可以直接測試出形成一個裂紋尖端塑性區的塑性變形功。這個塑性功的測試參數可以根據現有斷裂力學理論計算公式很方便地換算為目前通用的材料斷裂韌性的KIC和JIC參數值。
文檔編號G01N3/00GK201196613SQ20082009308
公開日2009年2月18日 申請日期2008年4月7日 優先權日2008年4月7日
發明者吳力航 申請人:吳力航