[发明专利]一种适用于三维复合型裂纹扩展测试的加载装置及方法

说明书

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、被测试件和测试系统。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；测试系统包括高倍显微镜、显微镜读数杆、试验机、控制开关和测试处理系统组成；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，两个垂直插入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；