[發明專利]用于雙材料界面混合模態斷裂韌性測試的試件及測試方法

有效

• 申請號: 201310673475.2
• 申請日: 2013-12-12
• 公開（公告）號: CN103616299B
• 公開（公告）日: 2017-06-09
• 發明（設計）人: 張松;王高琦;張慶;閆續范;趙斌;陳艷
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G01N3/20
• 分類號: G01N3/20
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司37221
• 代理人: 王吉勇

技術領域

本發明涉及一種測試試件及測試方法，尤其是一種用于雙材料界面混合模態斷裂韌性測試的試件及測試方法。

背景技術

隨著各類功能材料、復合材料、結合材料等先進材料的工業應用逐漸增多，由不同材料組成的界面力學行為越來越受到人們的重視。各類材料及結構的結合部，如金屬/陶瓷結合界面、異種金屬結合界面、功能器件與承載構件的結合界面等對材料或結構整體的力學行為有著十分重要的影響。由于界面附近容易存在缺陷或產生應力集中，結合材料容易在結合處或附近首先發生破壞。因此，結合材料的強度和壽命很大程度上取決于界面的強度和壽命特性。

與均質材料裂紋類似，界面裂紋的開裂也分為三種類型，即張開型(I型)、滑移型(II型)和撕開型(III型)。裂紋的變形狀態是由這三種基本形式疊加得到的。與裂紋形態相對應的斷裂臨界應力強度因子分別被稱為I型(K₁)、II型(K₂)和III型(K₃)斷裂韌性。實際工程中的界面斷裂通常是I-II型混合模態斷裂，模態的混合程度用相位角ψ來表示，ψ=arctan(K₂/K₁)。因此要準確地定量評價界面結合強度必須完整地測量I型、II型和I-II型混合模態下斷裂韌性。

目前有多種測量界面斷裂韌性的試件類型，最常用的有不對稱三點彎曲試件、單邊切口四點彎曲試件、不對稱四點彎曲試件、巴西圓盤試件、邊裂紋條形試件等，但這些試件都各有利弊。不對稱三點彎曲試件和單邊切口四點彎曲試件幾何外形簡單，但只能測量小范圍混合模態下的斷裂韌性；不對稱四點彎曲試件的制作也較為簡單，但需要制作專用加載裝置；巴西圓盤試件應用非常廣泛，但對于某些脆性材料來說制作比較困難；邊裂紋條形試件不適合于一些斷裂韌性較低的脆性材料。

發明內容

本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種用于雙材料界面混合模態斷裂韌性測試的試件及測試方法。

為實現上述目的，本發明采用下述技術方案：

一種用于雙材料界面混合模態斷裂韌性測試的試件，包括由兩塊第一種材料塊和一塊第二種材料塊緊密結合共同組成一長方體，兩塊第一種材料塊分別緊密設置于第二種材料塊的兩側，且其中一塊第一種材料塊與第二種材料塊緊密結合面垂直于水平面，另一塊第一種材料塊與第二種材料塊緊密結合面與水平面之間有夾角，與水平面之間有夾角的結合面上設置有預制裂紋。

所述兩塊第一種材料塊的底部各設有一根相互平行的支撐輥子。

所述第二種材料塊的上部設有一根加載輥子。

所述加載棍子位于與水平面之間有夾角的結合面和試件底面交線的正上方。

所述兩根支撐輥子在試件長度方向上關于加載棍子對稱。

一種用于雙材料界面混合模態斷裂韌性測試的試件制作及測試方法，包括：

1) 根據所測量材料的性質試算，得到合適的試件參數；

2) 根據計算出的試件參數制作試件；

3) 進行三點彎曲加載；

4) 計算斷裂時裂紋尖端的應力強度因子與能量釋放率。

步驟1)的具體過程為：①確定三點彎曲加載的跨距、試件高度、裂紋長度、試件寬度以及兩種材料長度方向尺寸；②確定傾斜結合面的夾角的傾斜角變化范圍；③用有限元法計算相位角，建立傾斜角和裂紋尖端相位角的對應關系，計算出能使相位角在0~90°之間變化的結合面傾斜角的范圍；在此范圍內選擇5~9個傾斜角以產生5~9個相位角，對應每個傾斜角制作5~10個試件。相位角的有限元計算法采用位移外推法、應力外推法或交互積分法。

所述三點彎曲加載的跨距根據三點彎曲國標規定和試件材料的不同選用20mm或30mm。

步驟2)的具體過程為：對應每個傾斜角的角度制作5~10個試件，在傾斜的結合面上預制初始裂紋。

步驟3)的具體過程為：在材料試驗機上對每一個試件分別進行三點彎曲試驗，以設定的速率加載，直到試件斷裂，并記錄載荷-位移曲線。

步驟4)的具體過程為：用有限元法計算斷裂時裂紋尖端的應力強度因子和能量釋放率；將每個試件的斷裂載荷分別加入上述建立的有限元模型中，用步驟1)中所述位移外推法、應力外推法或交互積分法計算應力強度因子K₁、K₂，用虛擬裂紋閉合法或J積分法計算能量釋放率G。