評價材料低溫抗開裂性能方法及設備、試件和其製備方法
2023-09-19 11:59:25
評價材料低溫抗開裂性能方法及設備、試件和其製備方法
【專利摘要】本發明涉及一種評價剛性、半剛性材料的低溫抗開裂性能的方法，以及適用於該評價方法的試件和測量設備以及該試件的製備方法，該評價方法通過測量剛性、半剛性材料的裂紋擴展溫度來評價其低溫抗開裂性能，所述試件包括試件本體，所述試件本體設有第一面和與之相對的第二面，所述試件本體的第一面和第二面之間設有作為裂紋源的預製裂紋，該預製裂紋在試件本體受到相應的力時發生擴展。本發明的評價方法能夠更準確的評定，並且評定結果相較現有技術更符合產品的實際使用狀況，且能夠用於有機樹脂類材料的低溫抗開裂性能的評價，本發明的試件為裂紋擴展溫度的測定而設計，使得對材料抗開裂性能的評價更科學、合理，並且試驗結果具有很好的重現性。
【專利說明】評價材料低溫抗開裂性能方法及設備、試件和其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種評價剛性、半剛性材料的低溫抗開裂性能的方法，以及適用於該評價方法的試件和測量設備以及該試件的製備方法。
【背景技術】
[0002]剛性和半剛性材料在約束條件下隨著溫度降低會呈現開裂的趨勢，該特性在實際使用中具有一定的影像，然而，目前尚沒有科學、合理的方法對材料的抗開裂性能進行評價。
[0003]目前，對於剛性和半剛性材料使用性能的評價，通常情況下，主要是考察材料的韌性，例如通過衝擊斷裂試驗、高速拉伸試驗或斷裂韌性測試來表徵，然而，韌性只是抗開裂性能的一個方面，另一個重要方面是降溫過程中材料本體應力的積累，使得材料的韌性與溫度有密切的相關關係，但是，上述測定通常是在恆溫條件下進行的，因此，上述方法不能準確的表徵材料在變溫條件下的抗開裂性能。而在實際應用時，基本不可能處於恆溫條件下，通常都是處於變溫條件下的，因此，現有的評價方法，對於材料在實際使用環境下的抗開裂性能評價指導性較差。
[0004]對於浙青混凝土材料而言，目前研究中有凍斷試驗方法，其試件是無缺陷的稜柱形試件，在線性降溫過程中考察材料的凍斷溫度，但由於各種原因，其斷裂位置和斷裂溫度結果重現性較差。
[0005]而對於有機樹脂類材料而言，目前尚沒有其低溫抗開裂性能的評價試驗方法。
【發明內容】
[0006]為了克服現有技術的上述缺陷，本發明目的在於提供一種評價剛性、半剛性材料的低溫抗開裂性能的方法，以便進行不同材料的低溫抗開裂性能的橫向比較，能夠用於有機樹脂類材料的低溫抗開裂性能的評價。
[0007]本發明目的還在於提供一種試件，以便提高該評價方法的準確度，使得上述評價方法具有較高的實用性。
[0008]本發明目的還在於提供一種該試件的製備方法，以便獲得符合要求的試件，特別是適用於製備參數一致的平行試件，並且試件的製備簡單、方便，成本較低。
[0009]本發明目的還在於提供一種測量設備，以利用該試件和測量方法進行測量。
[0010]為了達到上述目的，本發明採用的主要技術方案是:
一種評價材料的低溫抗開裂性能的方法，主要包括如下步驟:
(1)採用若干種待評價的材料分別製備平行試件，所述試件設有作為裂紋源的預製裂
紋；
(2)在變溫條件下測量各平行試件的裂紋擴展溫度；
(3)根據測得的裂紋擴展溫度的對比來評價各材料的低溫抗開裂性能，
其中，所述材料為剛性材料或半剛性材料。[0011]其中，所述裂紋擴展溫度的測量方式為:在保持所述試件的預製裂紋兩側的尺寸不變的條件下，持續降溫直至試件斷裂，將剛性材料製成的試件發生低溫斷裂時或半剛性材料製成的試件發生低溫應力屈服時的溫度作為所述裂紋擴展溫度。
[0012]優選為，所述裂紋擴展溫度的測量方法具體包括如下步驟:
步驟一、將位移傳感器固定於試件的預製裂紋的兩側，並將位移傳感器與控制系統連
接；
步驟二、將試件固定於固定件，並調整力傳感器至歸零狀態；
步驟三、根據設定的高低溫箱的溫控程序恆速降溫，並始終保持試件的預製裂紋兩側的尺寸不變，直至試件發生斷裂；
步驟四、記錄步驟三中相應的試驗數據；
步驟五、根據步驟四中記錄的試驗數據，分析、確定裂紋擴展溫度。
[0013]其中，還可以結合測量試件發生裂紋擴展時的應力來評價其低溫抗開裂性能。
[0014]一種試件，用於評價材料的低溫抗開裂性能的測試，能夠用於測量剛性、半剛性材料的裂紋擴展溫度，其包括試件本體，所述試件本體設有第一面和與之相對的第二面，所述試件本體的第一面和第二面之間設有作為裂紋源的預製裂紋，該預製裂紋在試件本體受到拉應力時發生擴展。
[0015]其中，所述預製裂紋可以為狹長狀，其延伸方向可以與所述力的方向呈90°的角度。
[0016]其中，所述試件本體可以為平板狀，所述預製裂紋可以沿平板狀試件本體的板面延伸。
[0017]優選為，所述預製裂紋貫穿平板狀的所述試件本體的厚度方向。
[0018]其中，所述試件本體可以由剛性或半剛性的熱固性或熱塑性樹脂材料製成。
[0019]一種製備上述任一種試件的方法，主要為:成型所述試件本體時，在預要設置預製裂紋的位置夾入預定厚度的薄片，以使成型後的試件本體中形成所述預製裂紋，並在試件本體成型後移除該薄片或不移除該薄片，完成所述試件的製備。
[0020]其中，所述薄片由與成型後的所述試件本體不粘連的材質製成；和/或 所述薄片的至少一個表面塗有使該薄片與成型後的所述試件本體不粘連的塗層。
[0021]所述薄片可以為薄紙片。
[0022]所述薄片的厚度不大於0.07mm。
[0023]一種可以供上述任一種試件進行裂紋擴展性能測試的設備，其主要包括:
約束及伺服裝置，用於保持試件在拉應力方向的幾何尺寸不變；
降溫裝置，用於降低試件所處的環境溫度，以使試件在降溫過程中呈收縮趨勢，配合所述約束及伺服裝置使得所述預製裂紋有擴展趨勢；以及
測力裝置和/或測溫裝置，所述測力裝置與所述約束及伺服裝置連接用於測量試件所受的拉應力值，所述測溫裝置設於降溫裝置中用於測量所述試件所處環境溫度的值。
[0024]其中，所述測力裝置為力傳感器，所述測溫裝置為溫度傳感器，所述約束及伺服裝置為溫度應力試驗機，所述降溫裝置為高低溫箱。
[0025]本發明的有益效果是:
現有技術的浙青凍斷試驗中，其以材料強度理論為基礎，認為當材料所受應力超過材料強度時試件發生破壞，並以試件發生破壞時的試驗結果作為最終的試驗結果，然而，在實際試驗過程中，試件的斷裂位置多為其端部與連接金屬件的粘接處，而此處存在應力集中現象，當試件斷裂時，應力集中現象的存在容易影響最終結果的準確性。
[0026]本發明的評價方法通過測量剛性、半剛性材料的裂紋擴展溫度來評價其低溫抗開裂性能，相較現有技術能夠更準確的評定，並且評定結果相較現有技術更符合產品的實際使用狀況，具有較高的實用性，且能夠用於有機樹脂類材料的低溫抗開裂性能的評價；
本發明的試件，通過在試件本體上預製作為裂紋源的預製裂紋，使得測量數據更加集中，使得對於裂紋擴展溫度的測定更準確，能夠提高評價方法的準確度，使材料抗裂性能的評價更科學、合理，並且試驗結果具有很好的重現性；
本發明試件的製備方法，通過在成型試件時埋入薄片來形成預製裂紋，特別適用於製備參數一致的平行試件，使得預製裂紋的形成簡單、方便，成本較低，而且，形成的預製裂紋本身不存在應力集中現象，避免了對試件本體性能的影響，使得測量的數據更準確；
本發明的測量設備，使得測量簡單易行、結果準確。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]圖1是本發明的試件的一個實施例的結構示意圖(其中，a為主視圖，b為A-A截面圖)。
[0028]圖2 (a)和圖2 (b)為實施例3中不同缺陷大小環氧砂漿試樣的裂紋擴展試驗的試驗曲線圖(其中，a為31#試件，b為32#試件)。
[0029]圖3 (a)、圖3 (b)和圖3 (C)為實施例3中不同配方環氧砂漿試樣的裂紋擴展試驗的試驗曲線圖(其中，a為33#試件，b為34#試件，c為35#試件)。
[0030]圖4 (a)和圖4 (b)為實施例5中不同缺陷大小環氧塗膜材料的裂紋擴展試驗的試驗曲線圖(其中，a為51#試件，b為52#試件)。
[0031]圖5 (a)、圖5 (b)和圖5 (C)為實施例5中不同配方環氧塗膜材料的裂紋擴展試驗的試驗曲線圖(其中，a為53#試件，b為54#試件，c為55#試件)。
[0032]圖6 (a)和圖6 (b)為實施例7中無預製缺陷的2個相同試件，考察兩次試驗的結果符合性的測量結果示意圖。
[0033]圖7 Ca)和圖7 (b)是實施例7中預製5mm缺陷的2個相同試件，考察本發明方法兩次試驗的結果符合性的測量結果示意圖。
[0034]圖8是本發明的測量設備的一個實施例的整體結構示意圖。
【具體實施方式】
[0035]為了更好理解，下面結合附圖通過【具體實施方式】對本發明作進一步描述。
[0036]一種評價剛性、半剛性材料的低溫抗開裂性能的方法，其主要思路是:通過測量剛性、半剛性材料的裂紋擴展溫度並進行橫向比較來評價其低溫抗開裂性能。
[0037]具體方法包括如下步驟:
(1)採用若干種待評價的材料分別製備平行試件，所述試件設有作為裂紋源的預製裂
紋；
(2)在變溫條件下測量各平行試件的裂紋擴展溫度； (3)根據測得的裂紋擴展溫度的對比來評價各材料的低溫抗開裂性能，
其中，所述材料為剛性材料或半剛性材料。
[0038]其中，所述剛性材料指的是:不發生應力屈服現象而直接斷裂的材料；所述半剛性材料指的是:斷裂時發生應力屈服現象的材料。
[0039]其中，所述裂紋擴展溫度指:剛性材料的低溫斷裂溫度，或，半剛性材料的低溫屈服溫度。
[0040]根據斷裂力學裂紋擴展原理，由於試件本身相對理論模型通常都是帶有一定缺陷的，而在破壞性的裂紋擴展試驗中，由於應力的集中，試件在缺陷位置斷裂的可能性較大，而試件自身缺陷的位置由於不可預測，因此，通常導致斷裂位置不確定，測量結果離散性較大，不夠準確，為了提高測量結果的準確性，優選為，所述裂紋擴展溫度是採用設有作為裂紋源的預製裂紋的試件測量得到的，以便令試件的斷裂可預測的發生於預製裂紋位置，進而「掩蓋」或「消除」試件中的其他缺陷對測量結果的不利影響，使得測量結果具有很好的重現性，而且，還可以根據實際需求，適當調整預製裂紋的尺寸等參數，以簡化操作，並提高測量結果的準確性。
[0041]其中，所述裂紋擴展溫度的測量方式可以為:在保持所述試件的預製裂紋兩側的尺寸不變的條件下，持續降溫直至試件斷裂，將剛性材料製成的試件發生低溫斷裂時或半剛性材料製成的試件發生低溫應力屈服時的溫度作為所述裂紋擴展溫度。
[0042]其中，上述方法還可以結合測量試件發生裂紋擴展時的應力來評價其低溫抗開裂性能，如可以根據應力-溫度曲線來評價其低溫抗開裂性能。
[0043]結合方式為:
試驗得到的應力-溫度曲線一般有兩種類型:一種是應力曲線按一定斜率上升直至試件斷裂破壞，此時認為裂紋擴展溫度與斷裂溫度是重合的；另一種應力曲線在某一溫度前保持一定斜率上升，到達此溫度後隨溫度降低應力不再上升，應力曲線走平，曲線出現兩個溫度特徵點，一個是應力屈服溫度(可作為裂紋擴展溫度)，另一個是斷裂溫度。
[0044]當裂紋擴展溫度相同時，斷裂溫度越高其抗開裂性能越好。
[0045]參見圖1，本發明的一種試件，用於破壞性裂紋擴展測試，能夠用於測量剛性、半剛性材料的裂紋擴展溫度，其主要包括試件本體1，所述試件本體I設有第一面11和與之相對的第二面12，所述試件本體I的第一面11和第二面12之間設有作為裂紋源的預製裂紋10，該預製裂紋10在試件本體I受到相應的拉應力時發生擴展。
[0046]其中，所述預製裂紋10為狹長狀，其延伸方向與所述力的方向呈一預定的角度。
[0047]其中，所述角度大致呈90度。
[0048]其中，所述預製裂紋10的長度可以為所述試件本體I寬度的1/10至1/2。
[0049]通常，預製裂紋10 (缺陷)的尺寸參數(如長度)可根據材料和試驗用設備的參數來確定，原則是在測量設備可提供的溫度變化範圍內儘可能將材料的裂紋擴展溫度顯著區分開，以方便進行橫向比較，而且，本發明的試件，測定裂紋擴展溫度時，可以根據實際情況調整試件的結構尺寸參數，就可以進行材料性能的橫向比較，試驗設計的靈活性大，應用範圍廣。
[0050]為了使預製裂紋10起到良好的裂紋源的效果，並能使測量結果更準確，重現性更好，所述預製裂紋10的寬度越窄越好，並且在一批次試驗中應保持一致，例如可以為0.07mm。
[0051]通常，預製裂紋的尺寸增大，材料的裂紋擴展溫度升高，對應的應力降低。
[0052]其中，所述預製裂紋10不延伸至試件本體的邊緣。
[0053]優選為，所述預製裂紋10設於試件本體I的中部位置。
[0054]所述預製裂紋10的深度可以小於或等於所述試件本體I的厚度。
[0055]其中，當所述預製裂紋10的深度等於所述試件本體I的厚度時，所述預製裂紋10貫穿或不貫穿所述試件本體I的厚度方向。
[0056]為了降低表面效應對結果的影響，所述預製裂紋10可以設於所述試件本體I的內部，且不顯露於所述試件本體I的任何一個表面。
[0057]在本發明的一個優選實施例中，所述預製裂紋的深度貫穿所述試件本體的厚度。
[0058]上述任一種試件，所述試件本體I可以由剛性或半剛性的熱固性樹脂或熱塑性樹脂材料製成。
[0059]一種用於製備上述任一種試件的方法，其主要是:在試件本體上製作至少一個預製裂紋。
[0060]優選為，成型所述試件本體時，在預要設置預製裂紋的位置夾入預定厚度的薄片，以使成型後的試件本體中形成所述預製裂紋，並在試件本體成型後移除該薄片或不移除該薄片，完成所述試件的製備。
[0061]其中，所述薄片可以由與成型後的所述試件本體不粘連的材質製成；和/或，所述薄片的至少一面塗有使其與成型後的所述試件本體不粘連的塗層。
[0062]例如，所述薄片可以為薄紙片。
[0063]優選為，所述薄紙片為不沾薄紙片。
[0064]優選為，所述不沾薄紙片為至少一面塗有矽油的不沾薄紙片。
[0065]上述任一種製備方法，所述薄片的厚度為不大於0.07mm。
[0066]一種測量設備，可以供上述任一種試件進行測試，其主要包括:
約束及伺服裝置，用於保持試件在拉應力方向的幾何尺寸不變；
降溫裝置，用於降低試件所處的環境溫度，以使試件在降溫過程中呈收縮趨勢，配合所述約束及伺服裝置使得所述預製裂紋有擴展趨勢；以及
測力裝置和/或測溫裝置，所述測力裝置與所述約束及伺服裝置連接用於測量試件所受的拉應力值，所述測溫裝置設於降溫裝置中用於測量所述試件所處環境溫度的值。
[0067]其中，所述測力裝置為力傳感器，所述測溫裝置為溫度傳感器，所述約束及伺服裝置為溫度應力試驗機，所述降溫裝置為高低溫箱。
[0068]所述高低溫試驗箱，用於提供適宜的試驗溫度環境。
[0069]所述溫度應力試驗機，設於高低溫試驗箱中，約束試件的尺寸變化，測定試件在變溫條件下的溫度應力變化。
[0070]所述溫度應力試驗機中設有固定裝置和伺服系統，用於保持試件在拉應力方向的幾何尺寸不變。
[0071]優選為，所述固定裝置包括:
兩個固定件，分別固定所述試件的兩端(第一面和第二面)，兩個固定件的連線與試件中部的預製裂紋的延伸方向垂直。[0072]所述伺服系統，與一個或兩個所述固定件連接，以調整試件拉應力方向的幾何尺寸，使其保持不變。
[0073]優選為，所述伺服系統包括:
位移傳感器，設於兩個固定件之間，用於測量第一面和第二面之間的相對位移；以及 驅動裝置，驅動一個或兩個所述固定件，調整試件拉應力方向的幾何尺寸，使其保持不變。
[0074]優選為，所述位移傳感器為兩個，兩個所述位移傳感器並列設於所述試件的兩側。
[0075]優選為，溫度應力試驗機中的伺服系統，根據位移傳感器反饋的信號進行調整，保證試件的尺寸在變溫過程中保持恆定。
[0076]所述伺服系統包括伺服電機。優選為，還包括控制系統，分別與所述力傳感器、溫度傳感器和位移傳感器連接以獲取相應信號，還與伺服電機和高低溫箱的控制系統連接，以實現對伺服電機和高低溫箱的控制。
[0077]優選為，所述力傳感器設於溫度應力試驗機中，測定、記錄試件在變溫過程中的溫度應力變化。
[0078]優選為，所述固定裝置還包括支架，所述支架包括底座、頂板和左、右支柱，所述左、右支柱並列支撐於所述底座和頂板之間，兩個所述固定件分別通過伺服電機和力傳感器與底座和頂板連接，所述伺服電機設於底座，並與一個固定件驅動連接，通過驅動該固定件沿支柱方向的平移來調整所述第一面和第二面之間的幾何尺寸，所述力傳感器設於頂板和另一個固定件之間，所述溫度傳感器設於所述左右支柱鄰近所述試件的預製裂紋的位置，所述位移傳感器與所述試件並列設於兩個固定件之間，所述支架設於高低溫箱內，所述控制系統設於高低溫箱外。
[0079]優選為，所述力傳感器通過一個微調裝置連接於頂板，根據試件的尺寸調整力傳感器與頂板之間的安裝距離，以便試件安裝之後使力傳感器處於歸零狀態(是否歸零還取決於力傳感器本身的調校，此處是指力傳感器處於檢測不到外力的狀態)。
[0080]一種裂紋擴展溫度的測量方法，可以採用上述任一種設備測定上述任一種試件的裂紋擴展溫度，其主要包括如下步驟:
步驟一、將位移傳感器固定於試件的預製裂紋的兩側，並將位移傳感器與控制系統連
接；
步驟二、將試件固定於固定件，並調整力傳感器至歸零狀態；
步驟三、根據設定的高低溫箱的溫控程序恆速降溫，並始終保持試件的預製裂紋兩側的尺寸不變，直至試件發生斷裂；
步驟四、記錄步驟三中相應的試驗數據；
步驟五、根據步驟四中記錄的試驗數據，分析、確定裂紋擴展溫度。
[0081]其中，試件可以首先在標準實驗室條件下養護7天，再進行試驗。
[0082]其中，步驟四中，降溫之前可以先在20°C條件下保溫I小時。
[0083]其中，步驟四中，初始溫度可以為20°C，降溫速率可以為10°C /小時。
[0084]其中，步驟五中，可以保溫30分鐘後開始記錄試驗數據。
[0085]其中，步驟五中，記錄的試驗數據包括力值和溫度值。
[0086]其中，步驟一中，所述位移傳感器可以分別與兩個固定件連接，並測定兩個固定件之間的相對位移。
[0087]其中，步驟二中，可以採用粘接或夾固方式將試件固定於固定件。
[0088]其中，步驟五中，可以將試件發生斷裂或應力屈服時的環境溫度作為所述的裂紋擴展溫度。
[0089]以下還提供了本發明的幾個實施例，其中，實施例1是製備試件的一種較佳方法，實施例2是一種較佳試驗設備，實施例3是基於實施例1採用環氧樹脂砂漿材料製得的一種較佳試件，實施例4是採用實施例3的試件利用實施例2的設備測定裂紋擴展溫度的一種較佳方法，實施例5是基於實施例1採用環氧樹脂塗層材料製得的一種較佳試件，實施例6是採用實施例5的試件利用實施例2的設備測定裂紋擴展溫度的一種較佳方法，實施例7是與現有技術的對比實驗。
[0090]實施例1，是本發明的一種試件製備方法的較佳實施例，其主要內容為:將一定厚度的塗有矽油的不粘薄紙片在成型試件過程中夾入試件中間，成型出帶有裂縫狀缺陷的試件。
[0091]實施例2，是本發明的一種試驗設備的較佳實施例(參見圖8)，其主要包括:
高低溫箱2 ；
兩個固定件，分別固定所述試件的第一面和第二面；
兩個位移傳感器21，設於兩個固定件之間，用於測量第一面和第二面之間的相對位移，可以並列設於所述試件的兩側；
力傳感器23 ；
溫度傳感器22 ；
伺服電機24 ；
控制系統25，分別與所述力傳感器23、溫度傳感器22和位移傳感器21連接以獲取相應信號，還與伺服電機24和高低溫箱2的控制系統連接，以實現對伺服電機24和高低溫箱2的控制；
支架，所述支架包括底座、頂板和左、右支柱，所述左、右支柱並列支撐於所述底座和頂板之間，兩個所述固定件分別通過伺服電機24和力傳感器23與底座和頂板連接，所述伺服電機24設於底座，並與一個固定件驅動連接，通過驅動該固定件沿支柱方向的平移來調整所述第一面和第二面之間的幾何尺寸，所述力傳感器23設於頂板和另一個固定件之間，所述溫度傳感器22設於所述左右支柱鄰近所述試件的預製裂紋的位置，所述位移傳感器21與所述試件並列設於兩個固定件之間，所述支架設於高低溫箱2內，所述控制系統25設於高低溫箱2外；以及
微調裝置，所述力傳感器23通過一個微調裝置連接於頂板，根據試件的尺寸調整力傳感器23與頂板之間的安裝距離，以便試件安裝之後使力傳感器23處於歸零狀態。
[0092]實施例3，是基於實施例1的方法採用環氧樹脂砂漿材料製得的31#試件、32#試件、33#試件、34#試件和35#試件，其中:31#、32#為不同裂紋長度的平行試件；33#、34#和35#為不同配方材料進行對比的平行試件(所述平行試件指，除了指定參數不同之外，其餘參數均相同的一組試件)。具體如下:
31#試件:1#環氧砂漿配方，長X寬X高=200mmX40 mmX20 mm，中部位置設有一個長條形缺陷(預製裂紋)，裂紋長度2mm，貫穿20mm厚度方向，裂紋寬度為0.07mm (參見圖I);
32#試件:1#環氧砂漿配方長X寬X高=200mmX 40mmX 20mm，中部位置設有一個長條形缺陷(預製裂紋)，裂紋長度5mm，貫穿20mm厚度方向，裂紋寬度為0.07mm (參見圖1);
33#試件:2#環氧砂漿配方，長X寬X高=200mm X 40mm X 20mm，中部位置設有一個長條形缺陷(預製裂紋)，裂紋長度2mm，貫穿20mm厚度方向，裂紋寬度為0.07mm (參見圖1);
34#試件:3#環氧砂漿配方，長X寬X高=200mm X 40mm X 20mm，中部位置設有一個長條形缺陷(預製裂紋)，裂紋長度2mm，貫穿20mm厚度方向，裂紋寬度為0.07mm (參見圖1);
35#試件:4#環氧砂漿配方，長X寬X高=200mm X 40mm X 20mm，中部位置設有一個長條形缺陷(預製裂紋)，裂紋長度2mm，貫穿20mm厚度方向，裂紋寬度為0.07mm (參見圖1);
實施例4，是本發明的一種採用實施例3的試件利用實施例2的設備測定裂紋擴展溫度的方法的較佳實施例，其主要包括如下步驟:
步驟一、將位移傳感器分別與兩個固定件連接，用於測定兩個固定件之間的相對位移，並將位移傳感器與控制系統連接；
步驟二、試件首先在標準實驗室條件下養護7天，再將試件的兩端(即預製裂紋的兩側)粘接固定於兩個固定件，並調整力傳感器至歸零狀態；
步驟三、根據設定的高低溫箱的溫控程序恆速降溫，並始終保持試件的預製裂紋兩側的尺寸不變，直至試件發生斷裂，其中，降溫之前先在20°C條件下保溫I小時，初始溫度為20°C，降溫速率為I (TC /小時；
步驟四、記錄步驟三中相應的試驗數據，`其中，保溫30分鐘後開始記錄試驗數據，記錄的試驗數據包括力值和溫度值；
步驟五、根據步驟四中記錄的試驗數據，分析、確定裂紋擴展溫度。
[0093]31#試件、32#試件、33#試件、34#試件和35#試件所測得的結果分別如圖2 (a)、圖2(b)，圖 3(a)、圖 3(b)和圖 3(c)所示。
[0094]圖2(a)為試驗得到的31#試件的裂紋擴展溫度試驗曲線，由圖可知，當溫度降低到-14.6°C時，31#試件發生了斷裂。由試驗曲線的形狀可以看出，31#試件斷裂前裂紋邊緣未發生顯著的應力屈服現象，其裂紋擴展溫度與斷裂溫度重合，可以確定為-14.6°C ；
圖2(b)為試驗得到的32#試件的裂紋擴展溫度試驗曲線，由圖可知，當溫度降低到-13°C時，32#試件發生了斷裂。由試驗曲線的形狀可以看出，32#試件斷裂前裂紋邊緣未發生顯著的應力屈服現象，其裂紋擴展溫度可以確定為_13°C ；
圖3(a)為試驗得到的33#試件的裂紋擴展溫度試驗曲線，由圖可知，當溫度降低到-11°C時，33#試件發生了斷裂。由試驗曲線的形狀可以看出，33#試件斷裂前裂紋邊緣未發生顯著的應力屈服現象，其裂紋擴展溫度可以確定為-1i°c ；
圖3(b)為試驗得到的34#試件的裂紋擴展溫度試驗曲線，由圖可知，當溫度降低到-5.3°C時，34#試件發生了斷裂。由試驗曲線的形狀可以看出，34#試件斷裂前裂紋邊緣未發生顯著的應力屈服現象，其裂紋擴展溫度可以確定為-5.3°C ；
圖3(c)為試驗得到的35#試件的裂紋擴展溫度試驗曲線，由圖可知，當溫度降低到
3.7°C時，35#試件發生了斷裂。由試驗曲線的形狀可以看出，35#試件斷裂前裂紋邊緣未發生顯著的應力屈服現象，其裂紋擴展溫度可以確定為3.7V。
[0095]由此可知，裂紋擴展溫度測試中，31#試件< 32#試件，說明裂紋長度小，測試得到的裂紋擴展溫度比較低；33#試件< 34#試件< 35#試件，這3個試件尺寸參數相同，而材料配方不同，其中，33#試件的裂紋擴展溫度最低，其抗開裂能力最好。
[0096]實施例5，是基於實施例1的方法採用環氧樹脂塗層材料製得的51#試件、52#試件、53#試件、54#試件和55#試件，其中:51#、52#為不同裂紋長度的平行試件;53#、54#和55#為不同配方材料進行對比的平行試件。具體如下:
51#試件:1#環氧樹脂塗層材料配方,長X寬X高=200mmX40 mmX4 mm,中部位置設有一個長條形缺陷(預製裂紋)，裂紋長度10mm，貫穿4mm厚度方向，裂紋寬度為0.07mm (參見圖1);
52#試件:1#環氧樹脂塗層材料配方，長X寬X高=200mmX40mmX4mm，中部位置設有一個長條形缺陷(預製裂紋)，裂紋長度20mm，貫穿4mm厚度方向，裂紋寬度為0.07mm (參見圖1);
53#試件:2#環氧樹脂塗層材料配方，長X寬X高=200mmX40mmX4mm，中部位置設有一個長條形缺陷(預製裂紋)，裂紋長度20mm，貫穿4mm厚度方向，裂紋寬度為0.07mm (參見圖1);
54#試件:3#環氧樹脂塗層材料配方，長X寬X高=200mmX40mmX4mm,中部位置設有一個長條形缺陷(預製裂紋)，裂紋長度20mm，貫穿4mm厚度方向，裂紋寬度為0.07mm (參見圖1);
55#試件:4#環氧樹脂塗層材料配方，長X寬X高=200mmX40mmX4mm,中部位置設有一個長條形缺陷(預製裂紋)，裂紋長度20mm，貫穿4mm厚度方向，裂紋寬度為0.07mm (參見圖1);
實施例6，是本發明的一種採用實施例5的試件利用實施例2的設備測定裂紋擴展溫度的方法的較佳實施例，其操作方法與實施例4基本相同，只是試驗結果的差異，此處不再贅述。
[0097]51#試件、52#試件、53#試件、54#試件和55#試件所測得的結果分別如圖4 (a)、圖4 (b)、圖5 (a)、圖5 (b)和圖5 (c)所示。
[0098]圖4 (a)為51#試件的裂紋擴展溫度試驗曲線，其在_50°C時發生斷裂，51#試件斷裂前裂紋前端未發生明顯的應力鬆弛現象，其裂紋擴展溫度可以確定為_50°C ；
圖4 (b)為52#試件的裂紋擴展溫度試驗曲線，其在-31°C發生斷裂，52#試件斷裂前裂紋前端未發生明顯的應力鬆弛現象，其裂紋擴展溫度可以確定為_31°C ；
圖5(a)為53#試件的裂紋擴展溫度試驗曲線，其在-9.5°C發生斷裂，但在_6°C之後曲線發生了屈服，此時對應裂紋前端發生了應力鬆弛現象，裂紋開始擴展，由此確定其裂紋擴展溫度為_6°C，斷裂溫度為-9.50C ；
圖5 (b)為54#試件的裂紋擴展溫度試驗曲線，其在_38°C發生斷裂，但在_21°C之後曲線發生了屈服，此時對應裂紋前端發生了應力鬆弛現象，裂紋開始擴展，由此確定其裂紋擴展溫度為_21°C，斷裂溫度為-38°C ；
圖5(c)為55#試件的裂紋擴展溫度試驗曲線，其在-51°C發生斷裂，但在_34°C之後曲線發生了屈服，此時對應裂紋前端發生了應力鬆弛現象，裂紋開始擴展，由此確定其裂紋擴展溫度為-34 °C，斷裂溫度為_51°C。
[0099]由此可知，裂紋擴展溫度測試中，51#試件 54#試件> 55#試件，這3個試件尺寸參數相同，而材料配方不同，其中，55#試件的裂紋擴展溫度最低，其抗開裂能力最好。
[0100]綜合實施例3中的測量結果可知，缺陷(預製裂紋)的設置，使得試件的斷裂位置可控，且，測量數據的分布趨勢基本一致(即測量數據基本由平行試件的製備材料決定，而缺陷形式基本不影響測量數據的分布趨勢)，基本消除了其他因素對測量結果的幹擾，使得測量結果具有很好的重現性。
[0101]實施例7，為了與現有技術進行對比，以便更好的體現本發明的有益效果，以下還提供了兩組試件試驗結果重現性的對比試驗。
[0102]71#試件和72#試件，為5#環氧砂漿材料製成的2個平行試件，長X寬X高=200mmX 40mmX 20mm,試件未設置缺陷；
73#試件和74#試件，為6#環氧砂漿材料製成的2個平行試件，長X寬X高=200mmX40mmX 20mm,中部位置設有一個長條形缺陷(預製裂紋),裂紋長度5mm,貫穿20mm厚度方向，裂紋寬度為0.07mm；
採用相同的設備和條件對試件進行凍斷試驗，並測得各對比試件的凍斷溫度。
[0103]圖6 (a)和圖6 (b)為71#和72#試件的試驗曲線，兩個試件的凍斷溫度分別為-ll°c和-6°C，斷裂位置為頭部設備連接處；
圖7 (a)和圖7 (b)為73#和74#試件的試驗曲線，兩個試件的裂紋擴展溫度(凍斷溫度)分別為-13.08°C和-13.04°C，斷裂位置為預設裂紋處；
將測量結果進行對比可知，現有技術的試驗方法中，存在測量結果不一致的情況，其重現性較低，難以控制，測量結果的準確度低，要想消除各因素的影響，獲得較準確的結果，需要使用多個平行試件進行試驗，操作複雜，成本高。
[0104]根據上述試驗結果的比對可知，採用本發明的試件和試驗方法所測得的橫向比較結果與現有技術相比能更準確的反應實際情況。
[0105]根據以上描述可知，本發明的評價方法通過測量剛性、半剛性材料的裂紋擴展溫度來評價其低溫抗開裂性能，相較現有技術能夠更準確的評定，並且評定結果相較現有技術更符合產品的實際使用狀況，尤其是能夠用於有機樹脂類材料的低溫抗開裂性能的評價；
本發明的試件，通過在試件本體上預製作為裂紋源的預製裂紋，使得測量數據更加集中，使得對於裂紋擴展溫度的測定更準確，能夠提高評價方法的準確度，使材料抗裂性能的評價更科學、合理，並且試驗結果具有很好的重現性；
本發明試件的製備方法，通過在成型試件時埋入薄片，特別適用於製備參數一致的平行試件，使得預製裂紋的形成簡單、方便，成本較低，而且，形成的預製裂紋本身不存在應力集中現象，使得測量數據更準確；
本發明的測量設備，使得測量簡單易行、結果準確。
【權利要求】
1.一種評價材料的低溫抗開裂性能的方法，其特徵在於，包括如下步驟: (1)採用若干種待評價的材料分別製備平行試件，所述試件設有作為裂紋源的預製裂紋，以消除其他因素引起的應力集中現象對測量結果的幹擾； (2)在變溫條件下測量各平行試件的裂紋擴展溫度，以提高測量結果與材料的實際使用環境的匹配度； (3)根據測得的裂紋擴展溫度來評價各材料的低溫抗開裂性能， 其中，所述材料為剛性材料或半剛性材料。
2.如權利要求1所述的評價方法，其特徵在於，所述裂紋擴展溫度的測量方式為:在保持所述試件的預製裂紋兩側的尺寸不變的條件下，持續降溫直至試件斷裂，將剛性材料製成的試件發生低溫斷裂時或半剛性材料製成的試件發生低溫應力屈服時的溫度作為所述裂紋擴展溫度。
3.如權利要求2所述的評價方法，其特徵在於，所述裂紋擴展溫度的測量方法具體包括如下步驟: 步驟一、將位移傳感器固定於試件的預製裂紋的兩側，並將位移傳感器與控制系統連接； 步驟二、將試件固定於固定件，並調整力傳感器至歸零狀態； 步驟三、根據設定的高低溫箱的溫控程序恆速降溫，並始終保持試件的預製裂紋兩側的尺寸不變，直至試件發生斷裂； 步驟四、記錄步驟三中相應的試驗數據； 步驟五、根據步驟四中記錄的試驗數據，分析、確定裂紋擴展溫度。
4.如權利要求1所述的評價方法，其特徵在於:還結合測量試件發生裂紋擴展時的應力來評價其低溫抗開裂性能。
5.一種試件，用於評價材料的低溫抗開裂性能的測試，能夠用於測量剛性、半剛性材料的裂紋擴展溫度，其特徵在於:包括試件本體，所述試件本體設有第一面和與之相對的第二面，所述試件本體的第一面和第二面之間設有作為裂紋源的預製裂紋，該預製裂紋在試件本體受到拉應力時發生擴展。
6.如權利要求5所述的試件，其特徵在於:所述預製裂紋為狹長狀，其延伸方向與所述力的方向呈90°的角度。
7.如權利要求6所述的試件，其特徵在於:所述試件本體為平板狀，所述預製裂紋沿平板狀試件本體的板面延伸。
8.如權利要求5、6或7所述的試件，其特徵在於:所述試件本體由剛性或半剛性的熱固性或熱塑性樹脂材料製成。
9.一種製備權利要求5至8中任一種所述的試件的方法，其特徵在於:成型所述試件本體時，在預要設置預製裂紋的位置夾入預定厚度的薄片，以使成型後的試件本體中形成所述預製裂紋，並在試件本體成型後移除該薄片或不移除該薄片，完成所述試件的製備。
10.如權利要求9所述的方法，其特徵在於: 所述薄片由與成型後的所述試件本體不粘連的材質製成；和/或 所述薄片的至少一個表面塗有使該薄片與成型後的所述試件本體不粘連的塗層。
11.如權利要求9或10所述的方法，其特徵在於:所述薄片的厚度不大於0.07mm。
12.—種可以供權利要求5至8中任一項所述的試件進行裂紋擴展性能測試的設備，其特徵在於包括: 約束及伺服裝置，用於保持試件在拉應力方向的幾何尺寸不變； 降溫裝置，用於降低試件所處的環境溫度，以使試件在降溫過程中呈收縮趨勢，配合所述約束及伺服裝置使得所述預製裂紋有擴展趨勢；以及 測力裝置和/或測溫裝置，所述測力裝置與所述約束及伺服裝置連接用於測量試件所受的拉應力值，所述測溫裝置設於降溫裝置中用於測量所述試件所處環境溫度的值。
13.如權利要求12所述的設備，其特徵在於:所述測力裝置為力傳感器，所述測溫裝置為溫度傳感器，所述約束及·伺服裝置為溫度應力試驗機，所述降溫裝置為高低溫箱。
【文檔編號】G01N33/44GK103822807SQ201410047187
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年2月11日 優先權日:2014年2月11日
【發明者】趙波, 李敬瑋, 魯一暉, 郝巨濤, 瞿楊, 劉增宏, 何旭升, 鄧正剛, 李蓉, 王秀軍 申請人:中國水利水電科學研究院, 北京中水科海利工程技術有限公司