一种测量各向异性材料切口角部应力强度因子的试验方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于测量各向异性复合材料切口角部应力强度因子的试验方法。该试验试件由两个扇形楔形体试件组合而成的圆盘，两个楔形体可以是不同材质的材料。其切口角部在圆盘的中心。用该圆盘作为试验试件，将试件进行单轴压缩试验，对试件圆周外缘施加沿任意直径方向的压缩载荷测量其切口角部应力强度因子，以切口角部出现破损时的载荷作为临界载荷。本试验方法通过对圆盘试件进行单轴压缩试验测量各向异性复合材料切口角部的应力强度因子，其方法原理可靠，加载力均匀，测试精度高，记录数据与分析结果精确，特别适用于由各向异性材料与各向同性材料结合的复合材料切口角部应力强度因子的测量。
【专利说明】 一种测量各向异性材料切口角部应力强度因子的试验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种试验方法，尤其涉及一种测量各向异性复合材料切口角部应力强度因子的试验方法。
【背景技术】
[0002]随着各类功能材料、复合材料、结合材料等先进材料的工业应用逐渐增多，由不同材料组成的接口力学行为越来越受到人们的重视。各类材料及结构的结合部，如金属与陶瓷结合接口、异种金属结合接口、功能器件与承载构件的结合接口等对材料或结构整体的力学行为有着十分重要的影响。复合材料在承受外部载荷时，由于结合界面切口角部的应力奇异性的存在，往往会从切口角部积累损伤，进而形成裂纹等缺陷导致复合材料的破坏，由于材料结合接口附近容易存在缺陷或产生应力集中，所以结合材料容易在结合处或附近首先发生破坏。
[0003]目前有多种测量复合材料应力强度因子的试件类型，最常用的有不对称三点弯曲试件、单边切口四点弯曲试件、不对称四点弯曲试件、圆盘试件、边裂纹条形试件等。测试方法也有很多种，典型的就是三点弯曲试验。表示材料断裂韧性的方法有广义强度因子、裂纹扩展能量释放率及J积分等。这些测试的方法有很多适合测量具有对称应力场的各向同性材料的应力强度因子，但是由于各向异性复合材料切口角部的应力场是非对称性的，材料破坏时角度不确定，因此发明一种测量各向异性复合材料切口角部的应力强度因子的试验方法是十分必要的。
[0004]由于夹持试样的困难性，且夹具夹持处容易产生应力集中，使试件提前产生破坏影响试验结果。为了解决这样的问题，目前比较广泛采用测定材料应力强度因子的试样是圆盘试件，其原理为试验机在圆盘试样的直径方向上对径施加压力载荷，使试样沿加载直径破坏。采用圆盘试件，并在试样上增加一对互相平行的供加载的平台，这有利于试样从中心起裂，又可避免集中力在接触处局部的不利影响。故可利用圆盘试样从中心起裂的特点来测量各向异性复合材料切口角部应力强度因子。但由于圆盘试件是各向同性材料，且为一个整体试件，故为了测量各向异性复合材料切口角部应力强度因子还需要对圆盘试件进行改进。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种测量各向异性材料切口角部应力强度因子的试验方法。该方法是基于圆盘试验的方法并对其进行改进。
[0006]本发明的一种用于测量各向异性复合材料切口角部应力强度因子的试件，包括由材料I和材料2紧密楔形结合共同组成的圆盘，其中材料2占圆盘的四分之一，即材料2的楔形角为90°，材料I的楔形角为270°。
[0007]将该试件放在材料试验机上进行单轴压缩试验，压盘沿着圆盘试样的直径方向在圆周外缘施加压缩载荷，以各向异性复合材料切口角部出现破损为临界载荷。
[0008]在施加压缩载荷时，必须保持上下压盘与圆盘中心对中平行，直至切口角部出现破损，记录破损时的压力及破损位置并数据分析得出结果。
[0009]本发明的有益效果是，采用本发明的试验方法可以方便的得到各向异性复合材料切口角部应力强度因子的值，提供了一种测量各向异性复合材料切口角部具有非对称应力场的应力强度因子值的试验方法。本试验方法原理可靠，加载力均匀，测试准确度高，记录数据和分析数据精确，对于材料的性能开发及优化设计具有重要的意义。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是本发明中测试试件的几何形状及载荷加载方式。试件是由材料I和材料2楔形胶结在一起的圆盘。材料I的楔形角为270°，材料2的楔形角为90°，材料I代表各向异性复合材料，材料2代表金属压块。载荷/7与^轴的夹角为a。
[0011]图2是试验夹具和加载原理示意图。包括上压盘3和下压盘4，以及由材料I和材料2组成的试验试件。
[0012]图3是基于测量各向异性复合材料切口角部应力强度因子的破坏封闭曲线。把每一个载荷加载角度下测得的#值记录在以4/4。为横坐标，KJK2c为纵坐标的坐标系上，相邻两个加载角的#值用直线连接即可得到各向异性复合材料切口角部应力强度因子的破坏封闭曲线。
【具体实施方式】
[0013]下面通过实施例具体说明测量各向异性复合材料切口角部应力强度因子的试验方法和过程。
[0014]1.试件条件:
(O材料I为碳纤维增强复合塑料(CFRP)层板，属于各向异性材料，材料2为铸铁压块，属于各向同性材料。二者通过楔形紧密贴合形成厚度为7± Imm,直径为17±1.5mm的圆盘试验试样。对每个加载角制作3~4个试件，并记录相应的圆盘直径和厚度。
[0015](2)试验夹具:如图2所示上压盘3和下压盘4与圆盘中心对中平行，试件在上下压盘的中心处。
[0016]2.试验过程:
先记录试验试件的直径和厚度备用，之后在材料试验机上将试件安装好夹具，安装时调整上下压盘中心连线经过圆盘中心轴线且与其垂直，即施加压力的方向沿圆盘直径方向。然后对每一个试件分别进行单轴压缩试验，以规定的加载角度和0.05mm/min的速率加载，直到材料切口角部出现破损，记录破损时的压力及破损位置。
[0017]3.试验结果分析:
(I)该材料的切口角部应力强度因子可以由以下表达式得到:
【权利要求】
1.一种用于测量各向异性复合材料切口角部应力强度因子的试验方法，其特征在于以改进后的圆盘试件作为试验试件，其切口角部在圆盘中心，通过对试件进行单轴压缩试验，即对圆周外缘施加沿任意直径方向的压缩载荷，测量其切口角部应力强度因子，以各向异性复合材料切口角部出现破损为测试基点。
2.根据权利要求1所述的试验试件其特征在于由两个扇形楔形体试件组合而成的圆盘，两个楔形体可以是不同材质的材料，其切口角部在圆盘的中心，被测的各向异性复合材料的楔形角为270°，另一个金属压块的楔形角为90°，二者通过楔形紧密组合形成厚度为7± Imm,直径为17±1.5mm的圆盘试验试样,对每个加载角制作3~4个试件,并记录相应的圆盘直径和厚度。
3.根据权利要求1所述的测量应力强度因子的试验方法，其特征在于安装试件进行试验时调整上下压盘中心连线经过圆盘中心轴线且与其垂直，即施加压力的方向沿圆盘直径方向，然后对每一个试件分别进行单轴压缩试验，以规定的加载角度和0.05mm/min的速率加载，直到材料切口角部出现破损，记录破损时的压力及破损位置并数据分析得出结果。
4.根据权利要求3所述的数据分析，其特征在于该材料的切口角部应力强度因子可以由以下表达式得到:
式中:上标“FEM”和“exp”分别表示有限元分析的值和实验测得的值f表示试件的破坏载荷(N);?和7?分别表示试件的厚度(mm)和半径(mm)^为特征指数，其中，/= 100Ν，
5.根据权利要求4所述的切口角部应力强度因子，其特征在于可以用来得到一个基于失效准则的广义应力强度因子的表达式:
其中，和可由(I)式得到，Ψ为名义断裂混合模式相位角，可以由下式得到:
利用^和K ?这两个参数就可以定义一个基于评价广义应力强度因子准则的破坏封闭曲线，如图3所示，即以。为横坐标，4/?。为纵坐标，极径为极角为Ψ的曲线图，曲线内代表安全区，曲线外代表不安全区。
【文档编号】G01N1/28GK104132845SQ201410308765
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月1日 优先权日:2014年7月1日
【发明者】平学成, 吴卫星, 李烽, 朱增辉, 王清 申请人:华东交通大学