[發明專利]一種適用于三維復合型裂紋擴展測試的加載裝置及方法

在審

• 申請號: 201710217999.9
• 申請日: 2017-04-05
• 公開（公告）號: CN107014682A
• 公開（公告）日: 2017-08-04
• 發明（設計）人: 宋彥琦;劉小珍;李向上;史久暢
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學（北京）
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08;G01N3/04
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司11251
• 代理人: 楊學明,顧煒

1.一種適用于三維復合型裂紋擴展測試的加載裝置，其特征在于：所述加載裝置包括內部夾具、外部夾具、被測試件和測試系統；內部夾具可以固定和連接被測試件(5)，外部夾具與測試系統中的試驗機(11)連接；內部夾具和外部夾具之間用螺栓(6)連接；內部夾具包括圓形襯套(3)和銷軸(4)，在安裝時銷軸(4)穿過圓形襯套(3)上的通孔連接被測試件(5)；外部夾具包括C型弧臂板(1)、圓板(2)、螺栓(6)、銷釘(7)及試驗機夾頭(8)，其中C型弧臂板(1)和圓板(2)之間采用焊接連接，C型弧臂板(1)厚度方向的中線與圓板(2)的直徑重合，試驗機夾頭(8)和C型弧臂板(1)的通孔對齊，用銷釘(7)連接，螺栓(6)用來連接圓板(2)和圓形襯套(3)底座上的圓形板；測試系統包括高倍顯微鏡(9)、顯微鏡讀數桿(10)、試驗機(11)、控制開關(12)和測試處理系統(13)，其中高倍顯微鏡(9)用顯微鏡讀數桿(10)支撐，安裝在試驗機(11)的平臺上，控制開關(12)位于試驗機(11)的前側，可控制試驗進度，測試處理系統(13)放置于試驗機(11)一側，用于記錄、顯示和處理試驗數據。

2.根據權利要求1所述的適用于三維復合型裂紋擴展測試的加載裝置，其特征在于：所述C型弧臂板(1)上均勻分布7個15°等角度徑向的通孔，通過銷釘(7)與位于不同角度的通孔之間的配合，實現不同類型的裂紋，包括單一的I、II、III型裂紋及其多種類型組合的三維復合型裂紋，待銷釘(7)與C型弧臂板(1)通孔裝配完成后，7個通孔所組成圓的圓心與被測試件(5)的中心重合。

3.根據權利要求2或是所述的適用于三維復合型裂紋擴展測試的加載裝置，其特征在于：所述C型弧臂板(1)厚度比試驗機夾頭(8)寬度略小2-3mm，即在方便安裝的情況下盡量與所述試驗機夾頭(8)寬度接近，這樣能防止由外部夾具和內部夾具組裝成的整體夾具在試驗機上滑動，同時能防止產生偏心拉伸。

4.根據權利要求1所述的適用于三維復合型裂紋擴展測試的加載裝置，其特征在于：所述圓形襯套(3)上開有兩個相互垂直的通孔，一是為了方便與被測試件(5)通過銷軸(4)連接，二是能夠消除在三維復合型裂紋擴展時產生的附加力矩。

5.根據權利要求4或是所述的適用于三維復合型裂紋擴展測試的加載裝置，其特征在于：所述圓形襯套(3)底座的圓形板上均勻分布24個成15°等角度徑向的通孔，可實現載荷加載角度的改變。

6.根據權利要求1所述的適用于三維復合型裂紋擴展測試的加載裝置，其特征在于：所述被測試件(5)兩端采用圓柱體構成，方便與圓形襯套(3)連接，被測試件(5)中間部位是著重研究的部位，采用長方體構成，為了減小交接處的應力集中，所述圓柱體和長方體之間用倒角過渡。

7.根據權利要求1所述的適用于三維復合型裂紋擴展測試的加載裝置，其特征在于：所述被測試件(5)長方體將會在加工時預制貫通裂紋，裂紋長度控制在長方體長度的2/5，這是因為加工預制的裂紋尖端大都是鈍化的，為了產生更加真實的裂紋，需留有一定長度在試驗機上用I型加載進行再次預裂。

8.根據權利要求1所述的適用于三維復合型裂紋擴展測試的加載裝置，其特征在于：所述高倍顯微鏡(8)放大倍率為400，可以在裂紋擴展時清晰的看到裂紋所在的位置，并及時找到裂紋擴展的長度。

9.根據權利要求1所述的適用于三維復合型裂紋擴展測試的加載裝置，其特征在于：旋轉和移動顯微鏡讀數桿(10)能夠使高倍顯微鏡(9)正對裂紋前沿，方便后續對裂紋擴展的觀察。

10.一種適用于三維復合型裂紋擴展測試的加載方法，其特征在于實現步驟如下：

步驟1：取裂紋前沿的中心為坐標原點建立直角坐標系，X軸平行于裂紋面并垂直于裂紋前緣，Y軸指向裂紋面的法向方向，Z軸沿著裂紋前沿，通過改變C型弧臂板(1)與試驗機夾頭(8)連接的通孔，調節力F在C型弧臂板(1)上偏離Y軸的角度α，實現α角度從0°到90°的變化；

步驟2：通過轉動圓板(2)，改變與圓形襯套(3)連接的通孔，可以使圓板(2)與X-Y平面的夾角β實現360°變化；

當α＝0°時，被測試件(5)受到拉伸載荷；當α＝90°且β＝0°時，被測試件(5)受到平面剪切荷載；當α＝90°且β＝90°時，被測試件(5)受到反平面剪切荷載；當β＝0°且0°<α<90°時，被測試件(5)受到I+Ⅱ復合型加載；當β＝90°且0°<α<90°時，被測試件(5)受到I+III復合型加載；當α＝90°且0°<β<90°時，被測試件(5)受到Ⅱ+III復合型加載；當0°<α<90°且0°<β<90°時，被測試件(5)受到I+Ⅱ+III復合型加載，既可以實現單一的I、Ⅱ、III型三維裂紋的擴展試驗，又可實現對I、Ⅱ、III多種類型組合的復合型三維裂紋的擴展測試。