CN107014682A - 一种适用于三维复合型裂纹扩展测试的加载装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于三维复合型裂纹扩展测试的加载装置及方法，包括内部夹具、外部夹具、被测试件和测试***，其中内部夹具由圆形衬套和销轴组成；外部夹具由C型弧臂板、圆板、螺栓、销钉和试验机夹头组成；测试***包括高倍显微镜、显微镜读数杆、试验机、控制开关和测试处理***组成。通过调节夹具在试验机上的装配角度，可分别实现单一的I、II、III型裂纹及其多种类型组合的三维复合型裂纹的静力加载或疲劳加载试验。安装于被测试件裂纹面两侧的高倍显微镜可实时观测三维裂纹包括长度和角度在内的扩展形态。本发明具有灵活调节裂纹类型和实时观测裂纹扩展形态的优点。

Description

一种适用于三维复合型裂纹扩展测试的加载装置及方法

技术领域

本发明涉及一种适用于三维复合型裂纹扩展试验的加载装置及方法，既可实现单一的I、Ⅱ、III型三维裂纹的扩展试验，又可对I、Ⅱ、III多种类型组合的复合型三维裂纹进行扩展测试，通过记录的相关数据可以得到裂纹的扩展速率以及扩展方向，主要应用在断裂、疲劳领域。

背景技术

在现代工程中，结构承受拉压、平面剪切、反平面剪切等力的作用，易在未达到材料设计强度时就发生失效，这种失效是由材料本身的微观缺陷和材料在服役期间产生的裂纹引起的，为了防止这种突然性破坏，需要了解三维裂纹在复合型载荷作用下的扩展方向和扩展速率。在实际结构中，构件会承受不同类型的载荷，产生复合型裂纹。因此这类加载装置要求既能研究单一类型裂纹，又能研究各类复合型裂纹，同时还要实现不同角度的加载。

工程中的各类零件都是三维实体，尺寸效应对研究会产生很大的影响，因此在实验设计时需采用三维实体试件，这对实验的准确性有着非常重要的意义。

目前，国内外尚未见有关此类三维裂纹测试加载装置及方法的文献报导。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种复合型加载下三维裂纹扩展测试的加载装置及方法，模拟构件承受不同的拉压、平面剪切和反平面剪切作用，测量并分析裂纹的扩展方向和扩展速率，为解决构件失效提供可靠的测试数据。

本发明要解决其技术问题所采用的技术方案是：一种适用于三维复合型裂纹扩展测试的加载装置及方法，所述的加载装置包括内部夹具、外部夹具、被测试件和测试***。内部夹具由圆形衬套和销轴组成，圆形衬套底座的圆形板上制有24个成15°等角径向分布的通孔，以便跟外部夹具连接，实现角度的调节，圆形衬套的圆筒上有两对相互垂直的通孔，用于通过销轴把被测试件连接在圆形衬套的套筒上；外部夹具由C型弧臂板、圆板、螺栓、销钉和试验机夹头组成，C型弧臂板上分布着7个成15°等角度径向分布的圆孔，用于与试验机连接，圆板上分布着24个成15°等角度径向分布的通孔，这些通孔与内部夹具中圆形衬套的通孔通过螺栓连接，C型弧臂板和圆板采用焊接而成；被测试件整体长度为142mm，两端是圆柱形，方便与圆形衬套连接，中间是长方体，裂纹将在这块区域进行预制，为了消除应力集中，圆柱体和长方体之间用倒角过渡；测试***包括高倍显微镜、显微镜读数杆、试验机、控制开关和测试处理***组成；将内部夹具和外部夹具装配好之后，安装在试验机上，调节高倍显微镜的位置使其镜筒对准裂纹端面，方便裂纹扩展后记录裂纹的扩展长度。

所述的圆形衬套圆筒内径需比被测试件的直径大，才能保证被测试件与圆形衬套能进行装配，但留出的空间也不宜太大，否则试件在衬套内将会产生晃动，影响实验的测试精度。同时圆形衬套圆筒的深度也应略大于试件端部的圆柱形长度，以弥补圆形衬套圆筒上垂直通孔的误差。

所述的被测试件在加工时预制的裂纹，其尖端处会出现比较严重的钝化，因此加工时预制的裂纹尖端与被测试件中部留有2-3mm的距离，这段距离将在试验机上采用I型加载的方式进行预裂，而后才能进行下一步实验。

所述的C型弧臂板的厚度应根据试验机夹头的间距进行确定，大约小2-3mm即可，这样的话就能保证夹具安装在试验机上不会产生偏心加载。

实验测试时，要保证通过试验机夹头施加在两端外部夹具的荷载连线通过被测试件的中心点。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明实验装置不仅可以实现单一的I、Ⅱ、III基本型三维裂纹的扩展试验，又可对包含I、Ⅱ、III多种类型组合的三维裂纹进行扩展试验；且实验类型包括静力加载试验和疲劳加载试验。

(2)本发明将被测试件研究部分设计成了长方体，体现了结构的三维特性，与实际构件更加接近，使得研究测量得到的结果更加精确、可靠性更强，能为实际工程提供更高的参考价值；

(3)本发明将被测试件两端设计成了圆棒，一是方便加工，二是能消除试件在实验过程中产生的应力集中；

(4)本发明在圆形衬套上设计了两个垂直的通孔，这是因为裂纹在扩展的时候裂纹前沿在不停的变化，使得外荷载会产生附加矩，两个垂直***的销轴正好就可以消除产生的附加力矩；

(5)本发明在圆形衬套底座的圆板上设计了24个成15°等角度径向的通孔，这可以调节在水平面施加荷载的角度；

(6)本发明在C型弧臂板上设计了7个成15°等角度径向的通孔，可以调节在纵向面施加荷载的角度，联合圆形衬套的圆形板就可以实现三维任意角度的加载；

(7)本发明C型弧臂版的厚度设计合理，根据试验机夹头的宽度设计，使夹具安装在试验机上后不会晃动，也就能保证在实验过程中不会出现偏心荷载；

(8)本发明通过螺栓连接来实现加载角度的改变，操作简便；

(9)本发明结构简单，安装使用方便，可靠性高；

(10)本发明简单有效，通过传统的机械加工就可实现，工艺性好，成本低。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为图1中被测试件部分局部放大图；

图3为夹具装配原理图。

图中，1为C型弧臂板，2为圆板，3为圆形衬套，4为销轴，5为被测试件，6为螺栓，7为销钉，8为试验机夹头，9为高倍显微镜，10为显微镜读数杆、11试验机、12为控制开关，13为测试处理***。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。

在图1中，本发明一种适用于三维复合型裂纹扩展测试的加载装置，由内部夹具、外部夹具、被测试件和测试***组成，内部夹具包括：圆形衬套3和销轴4；外部夹具包括：C型弧臂板1、圆板2、螺栓6、销钉7和试验机夹头8；测试***包括：高倍显微镜9、显微镜读数杆10、试验机11、控制开关12和测试处理***13。

在图2中，为被测试件5的局部放大图，被测试件5的两端为圆柱形，这是为了方便与内部夹具连接。被测试件5中间着重研究部位为正方体，圆柱体和长方体之间用倒角过渡，以减小应力集中。

在具体安装时，先安装内部夹具，将被测试件5的两端圆柱放置在圆形衬套3的套筒内，使两组通孔分别对齐，依次将销轴4***对齐的通孔中；将已焊接好的外部夹具C型弧臂板1和圆板2通过螺栓6连接在内部夹具上，圆板2和圆形衬套3的底座圆形板上都均匀的分布着等角度径向通孔，根据所需要的加载角度用8个螺栓6均匀分布的将内部夹具和外部夹具连接起来，注意此处为了方便应将螺母安装在圆板2内侧；将装配好的夹具安装在试验机11上，C型弧臂板1上的通孔与试验机夹头8的通孔对准，用销钉7固定，注意此处试验机11两侧试验机夹头8连接的C型弧臂板1上的通孔必须是关于被测试件5中心对称的；移动高倍显微镜9，使其能正对被测试件5的裂纹面，通过目镜调节高倍显微镜9的位置，在高倍显微镜9镜筒中能清晰的看到裂纹前沿与中心线重合为止，注意调节高倍显微镜9时应注意高倍显微镜9在显微镜读数杆10的位置，需预留出一定的刻度范围，保证在实验过程中，裂纹扩展后显微镜读数杆10上一直有刻度。

在具体实验时，应先将夹具装配成I型裂纹进行试验机预裂，再进行复合型加载实验，具体操作步骤如下：将预制好的被测试件5按实验要求安装在试验机上，调节试验机上的控制开关12，使夹具在试验机11上处于预紧状态，调节高倍显微镜9，记录此时显微镜读数杆10上的刻度，再通过测试处理***13设置荷载大小以及疲劳的循环周次，裂纹每扩展一小段之后，通过高倍显微镜9寻找裂纹前沿，使其处于目镜中心，记录此时显微镜读数杆10上的读数，再设置加载条件、再读数，如此重复进行，直至被测试件5断裂。

下面具体说明角度如何调节：在图3中，取裂纹前沿的中心为坐标原点建立直角坐标系，X轴平行于裂纹面并垂直于裂纹前缘，Y轴指向裂纹面的法向方向，Z轴沿着裂纹前沿。通过改变C型弧臂板1与试验机夹头8连接的通孔，可以调节力F在C型弧臂板1上偏离Y轴的角度α，实现α角度从0°到90°的变化。通过转动圆板2，使圆板2与X-Y平面的夹角β实现360°变化。

由图3可以看出，当α＝0°时，被测试件5受到拉伸载荷；当α＝90°且β＝0°时，被测试件5受到平面剪切荷载；当α＝90°且β＝90°时，被测试件5受到反平面剪切荷载；当β＝0°且0°<α<90°时，被测试件5受到I+Ⅱ复合型加载；当β＝90°且0°<α<90°时，被测试件5受到I+III复合型加载；当α＝90°且0°<β<90°时，被测试件5受到Ⅱ+III复合型加载；当0°<α<90°且0°<β<90°时，被测试件5受到I+Ⅱ+III复合型加载。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于三维复合型裂纹扩展测试的加载装置，其特征在于：所述加载装置包括内部夹具、外部夹具、被测试件和测试***；内部夹具可以固定和连接被测试件(5)，外部夹具与测试***中的试验机(11)连接；内部夹具和外部夹具之间用螺栓(6)连接；内部夹具包括圆形衬套(3)和销轴(4)，在安装时销轴(4)穿过圆形衬套(3)上的通孔连接被测试件(5)；外部夹具包括C型弧臂板(1)、圆板(2)、螺栓(6)、销钉(7)及试验机夹头(8)，其中C型弧臂板(1)和圆板(2)之间采用焊接连接，C型弧臂板(1)厚度方向的中线与圆板(2)的直径重合，试验机夹头(8)和C型弧臂板(1)的通孔对齐，用销钉(7)连接，螺栓(6)用来连接圆板(2)和圆形衬套(3)底座上的圆形板；测试***包括高倍显微镜(9)、显微镜读数杆(10)、试验机(11)、控制开关(12)和测试处理***(13)，其中高倍显微镜(9)用显微镜读数杆(10)支撑，安装在试验机(11)的平台上，控制开关(12)位于试验机(11)的前侧，可控制试验进度，测试处理***(13)放置于试验机(11)一侧，用于记录、显示和处理试验数据。

2.根据权利要求1所述的适用于三维复合型裂纹扩展测试的加载装置，其特征在于：所述C型弧臂板(1)上均匀分布7个15°等角度径向的通孔，通过销钉(7)与位于不同角度的通孔之间的配合，实现不同类型的裂纹，包括单一的I、II、III型裂纹及其多种类型组合的三维复合型裂纹，待销钉(7)与C型弧臂板(1)通孔装配完成后，7个通孔所组成圆的圆心与被测试件(5)的中心重合。

3.根据权利要求2或是所述的适用于三维复合型裂纹扩展测试的加载装置，其特征在于：所述C型弧臂板(1)厚度比试验机夹头(8)宽度略小2-3mm，即在方便安装的情况下尽量与所述试验机夹头(8)宽度接近，这样能防止由外部夹具和内部夹具组装成的整体夹具在试验机上滑动，同时能防止产生偏心拉伸。

4.根据权利要求1所述的适用于三维复合型裂纹扩展测试的加载装置，其特征在于：所述圆形衬套(3)上开有两个相互垂直的通孔，一是为了方便与被测试件(5)通过销轴(4)连接，二是能够消除在三维复合型裂纹扩展时产生的附加力矩。

5.根据权利要求4或是所述的适用于三维复合型裂纹扩展测试的加载装置，其特征在于：所述圆形衬套(3)底座的圆形板上均匀分布24个成15°等角度径向的通孔，可实现载荷加载角度的改变。

6.根据权利要求1所述的适用于三维复合型裂纹扩展测试的加载装置，其特征在于：所述被测试件(5)两端采用圆柱体构成，方便与圆形衬套(3)连接，被测试件(5)中间部位是着重研究的部位，采用长方体构成，为了减小交接处的应力集中，所述圆柱体和长方体之间用倒角过渡。

7.根据权利要求1所述的适用于三维复合型裂纹扩展测试的加载装置，其特征在于：所述被测试件(5)长方体将会在加工时预制贯通裂纹，裂纹长度控制在长方体长度的2/5，这是因为加工预制的裂纹尖端大都是钝化的，为了产生更加真实的裂纹，需留有一定长度在试验机上用I型加载进行再次预裂。

8.根据权利要求1所述的适用于三维复合型裂纹扩展测试的加载装置，其特征在于：所述高倍显微镜(8)放大倍率为400，可以在裂纹扩展时清晰的看到裂纹所在的位置，并及时找到裂纹扩展的长度。

9.根据权利要求1所述的适用于三维复合型裂纹扩展测试的加载装置，其特征在于：旋转和移动显微镜读数杆(10)能够使高倍显微镜(9)正对裂纹前沿，方便后续对裂纹扩展的观察。

10.一种适用于三维复合型裂纹扩展测试的加载方法，其特征在于实现步骤如下：

步骤1：取裂纹前沿的中心为坐标原点建立直角坐标系，X轴平行于裂纹面并垂直于裂纹前缘，Y轴指向裂纹面的法向方向，Z轴沿着裂纹前沿，通过改变C型弧臂板(1)与试验机夹头(8)连接的通孔，调节力F在C型弧臂板(1)上偏离Y轴的角度α，实现α角度从0°到90°的变化；

步骤2：通过转动圆板(2)，改变与圆形衬套(3)连接的通孔，可以使圆板(2)与X-Y平面的夹角β实现360°变化；

当α＝0°时，被测试件(5)受到拉伸载荷；当α＝90°且β＝0°时，被测试件(5)受到平面剪切荷载；当α＝90°且β＝90°时，被测试件(5)受到反平面剪切荷载；当β＝0°且0°<α<90°时，被测试件(5)受到I+Ⅱ复合型加载；当β＝90°且0°<α<90°时，被测试件(5)受到I+III复合型加载；当α＝90°且0°<β<90°时，被测试件(5)受到Ⅱ+III复合型加载；当0°<α<90°且0°<β<90°时，被测试件(5)受到I+Ⅱ+III复合型加载，既可以实现单一的I、Ⅱ、III型三维裂纹的扩展试验，又可实现对I、Ⅱ、III多种类型组合的复合型三维裂纹的扩展测试。