[發(fā)明專利]脆性材料動(dòng)態(tài)拉伸裂紋擴(kuò)展速度的測(cè)量裝置及測(cè)量方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410038632.7
• 申請(qǐng)日: 2014-01-27
• 公開（公告）號(hào): CN103792151A
• 公開（公告）日: 2014-05-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李地元;成騰蛟;周韜;李夕兵
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N3/30
• 分類號(hào): G01N3/30
• 代理公司: 長(zhǎng)沙市融智專利事務(wù)所 43114
• 代理人: 顏勇

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種脆性材料動(dòng)態(tài)拉伸裂紋擴(kuò)展速度的測(cè)量裝置及測(cè)量方法，特別是指一種巖石類脆性材料動(dòng)態(tài)拉伸裂紋擴(kuò)展速度的測(cè)量裝置及測(cè)量方法；屬于脆性材料性能測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。

技術(shù)背景

裂紋擴(kuò)展速度是斷裂力學(xué)中的一個(gè)基本參數(shù)。確定脆性材料的裂紋擴(kuò)展速度對(duì)于預(yù)測(cè)脆性材料在偶然載荷（如爆炸、地震等）作用下的失效時(shí)間具有重要意義，對(duì)于提高采礦和隧道工程中的爆破破巖效率、提升石油鉆井工程中巖石水力壓裂效果等也具有重要工程實(shí)際價(jià)值。另一方面，脆性材料的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于其抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，脆性材料在受載時(shí)通常先發(fā)生張拉破壞，因此確定脆性材料的拉伸裂紋擴(kuò)展速度更具有現(xiàn)實(shí)意義。但是，脆性材料的裂紋擴(kuò)展速度一般不易測(cè)定，在動(dòng)載荷的作用下，脆性材料的裂紋擴(kuò)展速度較高，且裂紋擴(kuò)展的路徑受材料不均質(zhì)性的影響而具有很大的隨機(jī)性，裂紋擴(kuò)展的路徑和時(shí)間均較難確定。傳統(tǒng)測(cè)試裂紋擴(kuò)展速度的方法為電阻斷裂片法，利用沖擊裝置對(duì)待測(cè)試樣施加沖擊載荷，將含有平行線柵的應(yīng)變片或者一排平行的鉛筆芯（鉛筆芯的電阻值為150Ω/m），粘貼在試樣可能產(chǎn)生斷裂的地方，當(dāng)產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展時(shí)，線柵或者鉛筆芯就一條接一條的被拉斷，每一瞬間所反應(yīng)的電阻值就指示出裂紋尖端的位置，從而測(cè)得裂紋的擴(kuò)展量、擴(kuò)展時(shí)間和擴(kuò)展速度。

但是由于應(yīng)變片或鉛筆芯中電阻絲的抗拉強(qiáng)度比較高,當(dāng)裂紋開始張開時(shí),電阻絲卻未斷,而是因其具有的延性特征被拉長(zhǎng)。因電阻值R∝L(L為導(dǎo)線長(zhǎng)度),故僅發(fā)生ΔR的改變。斷裂信號(hào)的判讀是靠測(cè)量的電壓差來(lái)表現(xiàn)的,而ΔR的變化為一連續(xù)值,使電阻絲未斷開前壓差的變化為一斜線,而不成階梯狀,從而給斷裂時(shí)間的判讀帶來(lái)了困難；而使用鉛筆芯監(jiān)測(cè)裂紋擴(kuò)展，在粘結(jié)時(shí)，兩鉛筆芯的距離難以保證很小，從而測(cè)量到的值更趨于平均，在反應(yīng)裂紋速度變化上不理想。無(wú)論是采用平行線柵的應(yīng)變片還是黏貼鉛筆芯，都遮擋了裂紋擴(kuò)展的路徑，不能清楚的觀測(cè)到裂紋擴(kuò)展的全過(guò)程，不利于對(duì)裂紋擴(kuò)展特性的分析。此種方法需要自制電阻回路，黏貼帶有平行線柵的應(yīng)變片和鉛筆芯，操作復(fù)雜，測(cè)試結(jié)果精確度低。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)之不足而提供一種操作方便、快速便捷、簡(jiǎn)單有效的脆性材料動(dòng)態(tài)拉伸裂紋擴(kuò)展速度的測(cè)量裝置及測(cè)量方法；本發(fā)明的測(cè)量裝置及測(cè)量方法可以控制脆性材料動(dòng)態(tài)拉伸裂紋擴(kuò)展方向，同時(shí)，可以直接觀察動(dòng)態(tài)裂紋的擴(kuò)展過(guò)程，從而更準(zhǔn)確確定裂紋擴(kuò)展起止時(shí)間，有效提升脆性材料動(dòng)態(tài)拉伸裂紋擴(kuò)展速度的測(cè)量精度。

本發(fā)明一種脆性材料動(dòng)態(tài)拉伸裂紋擴(kuò)展速度的測(cè)量裝置，所述裝置包括SHPB裝置，試樣，高速攝像儀；所述試樣中心預(yù)制一個(gè)圓形通孔，所述試樣按SHPB裝置的操作要求夾持在SHPB裝置的入射桿和透射桿之間；所述高速攝像儀安裝在試樣圓形通孔的軸線上，且高速攝像儀鏡頭端面平行于試樣設(shè)有圓形通孔的表面，根據(jù)試樣尺寸合理設(shè)置高速攝像儀參數(shù)，使得鏡頭窗口能剛好完全囊括整個(gè)試樣。

本發(fā)明一種脆性材料動(dòng)態(tài)拉伸裂紋擴(kuò)展速度的測(cè)量裝置，所述試樣的形狀為長(zhǎng)方體、圓柱體（圓盤）中的一種；試樣的材質(zhì)為待測(cè)試材料。

本發(fā)明一種脆性材料動(dòng)態(tài)拉伸裂紋擴(kuò)展速度的測(cè)量裝置，所述試樣為長(zhǎng)方體時(shí)，試樣的高寬比h/l=1-1.5:1，其中h為試樣平行于加載方向的長(zhǎng)度，l為試樣寬度，l≤h；試樣厚度為w，w≤l≤h；試樣的兩個(gè)加載端面的平整度小于2‰；

所述試樣為圓柱體時(shí)，試樣的厚徑比t/D=0.5-1:1，t為試樣厚度，D為試樣外徑；圓盤試樣，采用對(duì)徑加載的方式夾持在SHPB裝置的入射桿和透射桿之間；兩種形狀試樣在平行于高速攝像儀鏡頭的表面均應(yīng)平整潔凈，可用砂紙打磨，無(wú)反光，若為玻璃等透明材料，可在觀測(cè)背面粘貼遮光紙。

本發(fā)明一種脆性材料動(dòng)態(tài)拉伸裂紋擴(kuò)展速度的測(cè)量裝置，所述試樣中心預(yù)制的圓形通孔，其軸線方向垂直于加載方向，通孔表面光滑，無(wú)肉眼可見人工缺陷，以保證試樣在沖擊載荷作用下沿平行于加載方向的孔洞徑向產(chǎn)生拉伸裂紋。

本發(fā)明一種脆性材料動(dòng)態(tài)拉伸裂紋擴(kuò)展速度的測(cè)量裝置，所述圓形通孔半徑為r，長(zhǎng)方體試樣，r取值范圍為：h/10≤r≤h/6，圓柱體試樣，r其取值范圍為：D/10≤r≤D/6。

本發(fā)明一種脆性材料動(dòng)態(tài)拉伸裂紋擴(kuò)展速度的測(cè)量裝置，所述圓形通孔的半徑為：5≤r≤10mm。

本發(fā)明一種脆性材料動(dòng)態(tài)拉伸裂紋擴(kuò)展速度的測(cè)量裝置，高速攝像儀的攝像鏡頭端面距試樣表面的距離為S為200-1500mm；高速攝像儀的拍攝速度為80000-800000幀/秒；根據(jù)試樣尺寸大小逐步調(diào)整攝像儀與試樣之間的距離，以確保攝像鏡頭能全部涵蓋試樣表面，并得到最佳的拍攝清晰度。