一种狭长空间内进行断裂韧性测试的装置及使用方法与流程

本发明涉及复合环境下断裂韧性的测量，特别涉及一种狭长空间内进行断裂韧性测试的装置，针对需要在特种复合环境，例如强磁场环境下的断裂韧性测量。

背景技术：

断裂韧性是材料重要的断裂特征属性，常规断裂韧性测量手段包括紧凑拉伸测量和三点弯曲测量。这两种常规测量手段一般在拉压实验机上进行，拉压试验机体积庞大，能提供较大的载荷，可以满足常规实验条件下断裂韧性的测量工作，但由于体积过大，并能置入强磁场实验环境中，因此不能提供强磁场环境下的加载。在核聚变反应堆项目中，由于反应堆内部存在强磁场，可能会对材料的断裂韧性产生影响，因此必须进行强磁场环境下的断裂韧性的测量。若要获得强磁场的实验条件，科研机构一般选择超导磁体作为强磁场的发生器。该类型的设备所产生的磁场位于设备内部的圆柱形空腔内，并且由于超导线圈问题，该圆柱形空腔的直径一般很小(50mm左右)，采用常规拉压试验机不可能对断裂韧性完成测量工作，因此需要特制装置来满足实验需求。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种狭长空间内进行断裂韧性测试的装置，能完成在超导磁体圆柱形空腔等狭长空间内的断裂韧性测量工作。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种狭长空间内进行断裂韧性测试的装置，其特征在于：包括套筒1、安装在套筒1内部的左夹头2、右夹头3和滑块4，以及安装于套筒1之外的推杆固定杆5；所述套筒1中部设有功能窗7，尾端设有套筒卡槽6，前端设有套筒厚壁9，套筒厚壁9的外表面中心对称位置上设有套筒销孔10；所述滑块4前端设有滑块卡槽17，其上端设有水平开槽18和竖直开槽19，尾端中轴线上有螺纹孔用于连接力传感器；所述左夹头2尾端设有左夹头卡头14，其形状和尺寸均与套筒卡槽6适配，左夹头2前端设有左夹头销孔15用于安装拉伸试件，左夹头(2)前端上部设有靶板16，靶板16端面与左夹头2前端面平齐；所述右夹头3尾端设有右夹头卡头13，其形状和尺寸均与滑块卡槽17适配，右夹头3前端设有右夹头销孔11用于安装拉伸试件，前端上部设有位移传感器卡槽12用于安装位移传感器；所述推杆固定杆5的尾端设有尾端固定销孔20，用于安装电动推杆后方的粗插销，前端设有销孔阵列21用于与套筒1上的套筒销孔10进行对接。

所述的套筒1上的功能窗7长度大于左夹头2、右夹头3和拉伸试件装配之后的长度之和；其宽度大于靶板16的长度；套筒卡槽6从套筒1外表面延伸过套筒1的中轴，深度须保证左夹头卡头14安装之后其中轴与套筒1的中轴同轴。

所述滑块4形状与套筒1内部腔体形状适配，且接触面润滑良好，在滑动过程中保持平稳不抖动；滑块卡槽17从滑块4表面延伸过滑块4的中轴，深度须保证右夹头卡头13安装之后其中轴与滑块4中轴同轴；水平开槽18宽度大于位移传感器直径，滑块4尾端螺纹孔尺寸与力传感器连接螺栓适配，螺纹孔位于滑块4轴线上。

所述左夹头2尾端的左夹头卡头14为圆柱形卡头以在安装过程中进行转动，其与套筒卡槽6为滑动配合，配合尺寸越精密则可提供越精确的测量数据；左夹头2前部的试件夹持部位为长方体形状，在中心位置有开槽及左夹头销孔15用于安装拉伸试件，开槽宽度须大于待测试件厚度；使用销钉通过左夹头销孔15将拉伸试件与左夹头2连接，在上端布有靶板16，靶板面积大小须大于涡流位移传感器探头面积两倍，靶板中心与位移传感器同心，靶板17前端与左夹头2前端面平齐，且靶板16厚度须大于10毫米。

所述右夹头3上的右夹头卡头13为圆柱形卡头以在安装过程中进行转动，其与滑块卡槽17为滑动配合，配合尺寸越精密则可提供越精确的测量数据；右夹头3前部的试件夹持部位为长方体形状，在中心位置有开槽及右夹头销孔11用于安装拉伸试件，开槽宽度须大于待测试件厚度；使用销钉通过右夹头销孔11将拉伸试件与右夹头3连接，其上端布有位移传感器卡槽12，位移传感器卡槽12安装位置须尽量靠近右夹头3头部，但必须给位移传感器头部预留空间，预留空间由位移传感器头部长度决定；位移传感器卡槽12由弹性材料加工，保证能够起到固定传感器作用的同时便于传感器的拆卸。

所述推杆固定杆5包含两件，并配套有与电动推杆尾端固定销孔20尺寸相同的固定销，该固定销材料为高强度合金钢，长度大于两件推杆固定杆5的安装宽度。

一种狭长空间内进行断裂韧性测试的装置的使用方法：本装置配套使用圆柱形电涡流位移传感器或者圆柱形应变式位移传感器对裂口张开位移进行测量，若实验环境过于狭小，则可选用圆柱形电涡流型位移传感器，其具有更小的体积，在测量之前须先进行安装并置入待测环境中进行标定；选用圆柱形应变式位移传感器具有更大的测量量程，且无需标定，受测量环境影响较小。本装置配套采用电动推杆进行力加载，拉力检测配套使用小型拉力传感器。

上述所述的使用方法，具体为：

步骤1：组装左夹头2、拉伸试件和套筒1：将拉伸试件左销孔对准左夹头销孔15，插入插销并固定，然后将左夹头卡头14装入套筒卡槽6中；

步骤2：组装拉伸试件、右夹头3和滑块4：将右夹头卡头13装入滑块卡槽17中，然后将右夹头3朝前，从套筒1头部开口推入套筒1内部，将拉伸试件右销孔对准右夹头销孔11，插入插销并固定；

步骤3：安装位移传感器：将位移传感器安装在位移传感器卡槽12中，头部朝向靶板16。往套筒1外部轻轻拉紧滑块4，使左夹头2、拉伸试件、右夹头3处于绷紧状态，此时将位移传感器位置调正，其头部前端距离靶板16保持1～2mm(该距离等于位移传感器最小量程)，拧紧位移传感器卡槽12上的紧固螺丝，此时位移传感器后段固定在滑块4的水平开槽18中，其数据传输线从竖直开槽19中导出；

步骤4：安装力传感器、电动推杆及推杆固定杆5：将力传感器顶端的螺栓拧入滑块4后部的螺纹孔中，取两个推杆固定杆5，将电动推杆置于两个推杆固定杆5之间，从位于上部的推杆固定杆5上的尾端固定销孔20插入插销穿过电动推杆尾部的固定销孔，再穿过位于下部的推杆固定杆5上的尾端固定销孔20并进行固定；将两个推杆固定杆5头部的销孔阵列21上的销孔对准套筒1上的套筒销孔10，插入插销并进行固定；控制电动推杆进行伸缩运动，调整电动推杆头部位置，使电动推杆头部销孔对准力传感器尾部螺栓，连接并进行固定，此时实验系统已经安装完成；

步骤5：将位移传感器、力传感器与相对应的数据采集系统连接，将套筒1伸入预定实验空间中，外加部分固定于工作台上。进行标定操作之后，即可操作电动推杆给试件施加载荷，通过分析位移传感器和力传感器读数来计算断裂韧性，整体装置的装配变形可通过数据处理消除。

步骤6：通过处理p‐v曲线来计算材料断裂韧性

通过对力传感器以及位移传感器在拉伸过程中的数据进行采集，以位移(p)为横坐标，力(v)为纵坐标，绘制出该试件的p‐v曲线；

使用所述装置进行测量的紧凑拉伸试件须符合标准紧凑拉伸试件形式才能有效的对其断裂韧性进行分析，试件尺寸需满足国家相关标准；断裂韧性计算方法如下所示：

上式中ki为断裂韧性，a为拉伸试件销孔轴心与裂纹尖端的垂直距离，b为拉伸试件厚度，w为拉伸试件销孔轴心与拉伸试件底面的距离，pq为裂纹扩展时的临界拉力，其取值时，首先在p‐v曲线上从原点开始寻找线性区域，并对该区域数据作线性拟合，找出其斜率，然后过原点做该斜率95％的直线，与p‐v曲线交点处数值即为pq。

和现有技术相比较，本发明具有如下优点：

相比现有常用于断裂韧性测量的拉压试验机，本发明装置体积小巧，可在狭长实验环境中，对试件提供拉力或者压力以满足相关实验需求。根据不同的实验要求，可灵活选择合适量程的位移传感器、力传感器，以实现对不同尺寸、不同断裂特性的试件实行测量。现有用于断裂韧性测试的设备如拉压试验机体积庞大，难以进行复合环境下的实验。近年来已出现可在加载同时进行热加载以及电荷加载的复合设备，但是还没有出现过可在强磁场环境下进行加载的拉压试验机设备，本发明装置为相关实验提供了一种可能性，同时通过电涡流位移传感器解决了细小空间内引伸计无法使用的问题，实测表明，本装置可以有效的反馈力和位移的读数，具备满足相关实验需求的能力。同时本发明结构简单，可通过升级配件来满足不同类型的实验需求，

附图说明

图1为本发明可在狭长空间内进行断裂韧性测试的实验装置总体示意图(剖视图)。

图2为本发明总体立体图。

图3为本发明套筒示意图。

图4为本发明右夹头示意图。

图5为本发明左夹头示意图。

图6为本发明滑块示意图。

图7为本发明推杆固定装置示意图。

图8为本发明总体使用示意图。

图9为标准紧凑拉伸试件示意图。

图10为常规p‐v曲线取点示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步详细说明。

如图1、图2所示，一种狭长空间内进行断裂韧性测试的装置，其特征在于：包括套筒1、安装在套筒1内部的左夹头2、右夹头3和滑块4，以及安装于套筒1之外的推杆固定杆5；如图3所示，所述套筒1中部设有功能窗7，尾端设有套筒卡槽6，前端设有套筒厚壁9，套筒厚壁9的外表面中心对称位置上设有套筒销孔10；如图6所示，所述滑块4前端设有滑块卡槽17，其上端设有水平开槽18和竖直开槽19，水平开槽18和竖直开槽19整体呈t字型，尾端中轴线上有螺纹孔用于连接力传感器；如图5所示，所述左夹头2尾端设有左夹头卡头14，其形状和尺寸均与套筒卡槽6适配，左夹头2前端设有左夹头销孔15用于安装拉伸试件，左夹头2前端上部设有靶板16，靶板16端面与左夹头2前端面平齐；如图4所示，所述右夹头3尾端设有右夹头卡头13，其形状和尺寸均与滑块卡槽17适配，右夹头3前端设有右夹头销孔11用于安装拉伸试件，靶板16上部设有位移传感器卡槽12用于安装位移传感器；如图7所示，所述推杆固定杆5的尾端设有尾端固定销孔20，用于安装电动推杆后方的粗插销，前端设有销孔阵列21用于与套筒1上的套筒销孔10进行对接。

如图3所示，作为本发明的优选实施方式，所述的套筒1上的功能窗7长度大于左夹头2、右夹头3和拉伸试件装配之后的长度之和；其宽度大于靶板16的长度；套筒卡槽6从套筒1外表面延伸过套筒1的中轴，深度须保证左夹头卡头14安装之后其中轴与套筒1的中轴同轴。

如图6所示，作为本发明的优选实施方式，所述滑块4形状与套筒1内部腔体形状适配，且接触面润滑良好，在滑动过程中保持平稳不抖动；滑块卡槽17从滑块4表面延伸过滑块4的中轴，深度须保证右夹头卡头13安装之后其中轴与滑块4中轴同轴；水平开槽18宽度大于位移传感器直径，滑块4尾端螺纹孔尺寸与力传感器连接螺栓适配，螺纹孔位于滑块4轴线上。

如图5所示，作为本发明的优选实施方式，所述左夹头2尾端的左夹头卡头14为圆柱形卡头以在安装过程中进行转动，其与套筒卡槽6为滑动配合，配合尺寸越精密则可提供越精确的测量数据；左夹头2前部的试件夹持部位为长方体形状，在中心位置有开槽及左夹头销孔15用于安装拉伸试件，开槽宽度须大于待测试件厚度；使用销钉通过左夹头销孔15将拉伸试件与左夹头2连接，在上端布有靶板16，靶板面积大小须大于涡流位移传感器探头面积两倍，靶板中心与位移传感器同心，靶板16前端与左夹头2前端面平齐，且厚度须大于10毫米。

如图4所示，作为本发明的优选实施方式，所述右夹头3上的右夹头卡头13为圆柱形卡头以在安装过程中进行转动，其与滑块卡槽17为滑动配合，配合尺寸越精密则可提供越精确的测量数据；右夹头3前部的试件夹持部位为长方体形状，在中心位置有开槽及右夹头销孔11用于安装拉伸试件，开槽宽度须大于待测试件厚度；使用销钉通过右夹头销孔11将拉伸试件与右夹头3连接，其上端布有位移传感器卡槽12，位移传感器卡槽12安装位置须尽量靠近右夹头3头部，但必须给位移传感器头部预留空间，预留空间由位移传感器头部长度决定；位移传感器卡槽12由弹性材料加工，保证能够起到固定传感器作用的同时便于传感器的拆卸。

如图7所示，作为本发明的优选实施方式，所述推杆固定杆5包含两件，并配套与电动推杆后端固定销孔尺寸相同的固定销，该固定销材料为高强度合金钢，长度大于两件推杆固定杆5的安装宽度。

如图8所示，本发明一种狭长空间内进行断裂韧性测试的装置的使用方法：本装置配套使用圆柱形电涡流位移传感器或者圆柱形应变式位移传感器对裂口张开位移进行测量，若实验环境过于狭小，则可选用圆柱形电涡流型位移传感器，其具有更小的体积，在测量之前须先进行安装并置入待测环境中进行标定；选用圆柱形应变式位移传感器具有更大的测量量程，且无需标定，受测量环境影响较小。本装置配套采用电动推杆进行力加载，拉力检测配套使用小型拉力传感器。

下面对本发明的使用方法进行详细说明：

步骤1：组装左夹头2、拉伸试件和套筒1。将拉伸试件左销孔对准左夹头销孔15，插入插销并固定，然后将左夹头卡头14装入套筒卡槽6中；

步骤2：组装拉伸试件、右夹头3和滑块4。将右夹头卡头13装入滑块卡槽17中，然后将右夹头3朝前，从套筒1头部开口推入套筒1内部，将拉伸试件右销孔对准右夹头销孔11，插入插销并固定。

步骤3：安装位移传感器。将位移传感器安装在位移传感器卡槽12中，头部朝向靶板16。往套筒1外部轻轻拉紧滑块4，使左夹头2、拉伸试件、右夹头3处于绷紧状态，此时将位移传感器位置调正，其头部前端距离靶板保持1～2mm(该距离等于位移传感器最小量程)，拧紧位移传感器卡槽12上的紧固螺丝，此时位移传感器后段固定在滑块4的水平开槽18中，其数据传输线从竖直开槽19中导出；

步骤4：安装力传感器、电动推杆及推杆固定杆5。将力传感器顶端的螺栓拧入滑块4后部的螺纹孔中，取两个推杆固定杆5，将电动推杆置于两个推杆固定杆5之间，从位于上部的推杆固定杆5上的尾端固定销孔20插入插销穿过电动推杆尾部的固定销孔，再穿过位于下部的推杆固定杆5上的尾端固定销孔20并进行固定。将两个推杆固定杆5头部的销孔阵列21上的销孔对准套筒1上的套筒销孔10，插入插销并进行固定。控制电动推杆进行伸缩运动，调整电动推杆头部位置，使电动推杆头部销孔对准力传感器尾部螺栓，连接并进行固定；此时实验系统已经安装完成，如图8所示。

步骤5：将位移传感器、力传感器与相对应的数据采集系统连接，将套筒1伸入预定实验空间中，外加部分固定于工作台上。进行标定操作之后，即可操作电动推杆给试件施加载荷，通过分析位移传感器和力传感器读数来计算断裂韧性，整体装置的装配变形可通过数据处理消除。

步骤6：通过处理p‐v曲线来计算材料断裂韧性

通过对力传感器以及位移传感器在拉伸过程中的数据进行采集，以位移(p)为横坐标，力(v)为纵坐标，绘制出该试件的p‐v曲线；

使用本发明进行测量的紧凑拉伸试件须符合标准紧凑拉伸试件形式才能有效的对其断裂韧性进行分析，试件尺寸需满足国家相关标准，相关参数如图9所示。断裂韧性计算方法如下所示：

上式中ki为断裂韧性，a为拉伸试件销孔轴心与裂纹尖端的垂直距离，b为拉伸试件厚度，w为拉伸试件销孔轴心与拉伸试件底面的距离，pq为裂纹扩展时的临界拉力，其取值时，首先在p‐v曲线上从原点开始寻找线性区域，并对该区域数据作线性拟合，找出其斜率，然后过原点做该斜率95％的直线，与p‐v曲线交点处数值即为pq(如图10所示)。