一种测试脆性材料抗拉强度的方法技术

本发明专利技术是一种采用平台巴西试样测试脆性材料抗拉强度的方法。通过三维弹性力学数值分析，得到试样在不同高径比和泊松比条件下的应力分布规律。选择适合于脆性材料的强度理论，并规定试样破坏从端面中心线起裂为有效破坏，可得到试样在不同高径比和泊松比条件下的抗拉强度计算公式。由抗拉强度计算公式可知，只需测试试样的尺寸、泊松比、破坏荷载、抗压强度，即可得到基于强度理论的材料抗拉强度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，即采用带平台的巴西圆盘试样测试脆性材料抗拉强度的方法。
技术介绍
抗拉强度作为材料的基本力学参数，在科学研究和生产实践中有着不可替代的作用，人们历来重视对材料抗拉强度测试方法的研究。然而，由于脆性类材料(如岩石、混凝土)具有明显的脆性特征，使得直接测量其抗拉强度变得十分困难，人们普遍采用间接方法来测试脆性材料的抗拉强度，其中最常用的方法就是圆盘巴西试验方法(以下简称巴西试验)。巴西试验是对圆盘试样进行径向加载，试验机的荷载通过紧贴试样上下端的两根垫条作用于圆盘，使其承受线载荷，载荷作用线方向通过圆盘的轴线，依据下式计算试样的抗拉强度σT=-2Pπdt---(1)]]>式中P为作用于试样的最大载荷，d为圆盘直径，t为圆盘厚度。由于试样中各点处于复杂应力状态，哪一点最先进入破坏状态需由强度理论来确定。我们把试样中最先破坏的点称为起裂点。前人根据Griffith强度理论认为，巴西试验中试样的有效破坏是试样从圆心处起裂。巴西试验用于测试岩石类脆性材料的抗拉强度已经有40多年的历史，并在国内外诸多工程领域中得到广泛的应用。1978年国际岩石力学学会将其作为测试岩石抗拉强度的推荐方法之一，它已被列入美国的ASTM、英国BS、国际ISO等标准中，1999年和2001年我国将这种方法正式列入岩石试验的国家标准和水利行业的规范中。然而，研究发现巴西试验存在几个较为严重的问题。这些问题是第一，巴西试验拉伸强度公式来自二维弹性力学理论，只适合于平面应力或平面应变条件。实际试样是一个三维实体，平面应力条件要求试样的高径比为非常小，平面应变条件要求试样的高径比非常大。目前常用的高径比范围为0.5～1.0(太大或太小的高径比都不便于实验测试)，显然这一范围内的高径比取值是不满足(1)式所遵从的前提条件的。第二，三维条件下，泊松比对试样的应力分布也有影响，但在(1)式中没有得到反映；第三，试样破坏的中心起裂条件无法满足。因为在加载点处存在应力集中现象，试样的破坏是必然从加载点起裂。无论是二维还是三维条件下，若采用Griffith强度理论或Mohr强度理论，可知在试样端面的受压直径上，端面圆心处的等效应最小，加载点处最大，说明试样根本不可能从中心点起裂。第四，Griffith强度理论本身存在问题，由该理论可以推导出材料的抗压强度是其抗拉强度的8倍，显然这一比例关系并不具有通用性。上述问题的存在使得具有40多年历史的巴西试验的正确性受到怀疑，申请者认为巴西圆盘试样已不适合用于测试脆性材料的抗拉强度，应当寻找另外的试样形式及试验方法来测试脆性材料的抗拉强度。岩石力学与工程学报2002年第9期介绍了一种平台巴西圆盘试样(简称平台试样)。将圆盘巴西试样的上下加载点部分水平地切掉，切掉后的试样仍然上下、左右及前后均保持对称性。由此便可得到带有上下两个平台的试样。加载时，外力均匀作用在试样的上下平台上。从外形看，平台试样显然避免了圆盘试样在加载点处的应力集中效应。已有一些学者对用这种试样测试岩石抗拉强度方面进行了研究，但仅限于二维情况，其抗拉强度计算公式仅是在(1)式的基础增加一个修正系数，没有考虑高径比和泊松比的影响。。
技术实现思路
本专利技术提供了。即在三维弹性力学数值计算指导下进行平台巴西抗拉强度试验的方法。这一方法解决了高径比k、泊松比μ等因素对试样应力分布的影响问题，并且可以采用比Griffith强度理论更为合理的强度理论，如Mohr强度理论或俞茂宏统一强度理论等，可以满意地测量出材料的抗拉强度。采用的试样形式为平台巴西圆盘试样。由于试样中各点处于三维应力状态，可通过强度理论来确定试样的破坏条件。根据强度理论，在试样即将发生破坏的临界状态，试样中的最大等效应力出现的位置就是试样破坏的起裂点，而起裂点处的等效应力总是与材料的抗拉强度直接相关的。例如，在Mohr强度理论中，起裂点的等效应力就是材料的抗拉强度。又由弹性力学理论可知，在不计重力影响的条件下，试样中各点的应力大小与试样所受外力成正比。于是，我们可以通过三维有限元弹性分析，得到各种高径比和泊松比条件下试样中最大等效应力与外力之间的关系。当作用在试样上的外力达到极限时，试样中的最大等效应力也达到极限。由此，可得到材料的抗拉强度。在强度理论中，往往涉及到材料的抗拉强度σT与抗压强度σC的比值β。例如，Mohr强度理论的数学形式如下σ1-βσ3＝σT(2)对试样中的任一点，上式中的(σ1-βσ3)被定义为Mohr等效应力。Mohr强度理论说明，当试样中的最大等效应力σM达到材料的抗拉强度σT时，试样发生破坏。在(2)式中，β和σT都是未知数，但由于抗压强度σC可由实验测出，可看作是已知量。于是，(2)式可改写成σM＝βσC(3)因此若能求出β，便可求出抗拉强度σT。由现有的实验数据可知，对于岩石类脆性材料而言，β值一般为0.05～0.2。申请者的三维有限元分析表明，泊松比μ、高径比k及拉压强度比β这几个因素，对平台试样的最大等效应力的大小及出现位置均有影响。我们发现，当上述变量在合理、适当的范围内取值时，平台巴西试样中的最大等效应力在多数情况下出现在试样端面的竖直中心线上，只在少数情况下出现在试样平台及平台附近的表面上。为方便起见，我们规定试样起裂点在端面竖直中心线的破坏为有效破坏，其它情况为无效破坏。三维有限元分析结果表明，当采用Mohr强度理论时，对于有效破坏，当k、μ保持不变时，β越大，起裂点距断面中心越远，并且β与最大等效应力σM成完全的线性关系，即σM＝P(aβ+b)(4)式中p是作用在试样平台上的压强，a，b是无量纲的线性回归系数。显然a、b与试样的高径比和泊松比有关。如果我们采用统一强度理论，则起裂点的三个主应力σ1、σ2、σ3满足如下关系式σ1-β1+α(ασ2+σ3)=σT--(5)]]>式中，α为中间主应力影响系数，其它变量与(2)式相同。α的取值不同，该理论就适用于不同性质的材料。对于脆性材料，取中间主应力影响因数为α＝0.5。通过有限元分析，同样可以发现多数情况下试样的破坏是从端面竖直中心线上起裂，并且拉压强度比β与该中心线上的最大等效应力成正比。上述结论与采Mohr强度理论得出的结论完全一致。其实，Mohr强度理论是包含在统一强度理论中的若令统一强度理论中的中间主应力影响系数α为0，则得到Mohr强度理论。进一步研究可以发现，当中间主应力影响系数α取其它值时，亦即采用其它强度理论时，在有效破坏试样的起裂点上，(3)、(4)两式均能同时满足，于是可得到β的表达式β=pbσC-pa---(6)]]>进一步，得到抗拉强度的表达式为 σT=pbσC-paσC--(7)]]>式中，σC为材料的单轴，a、b取值与试样的高径比k和泊松比μ有关。σC、k、μ均可实测。而从三维有限元分析结果中，可以得出a、b在不同情况下的取值表。本专利技术提出的用平台巴西试样测试脆性本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用平台巴西圆盘试样测试脆性材料抗拉强度的方法，其特征在于通过三维弹性力学数值分析所得公式来计算材料的抗拉强度。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：喻勇，
申请(专利权)人：喻勇，
类型：发明
国别省市：90[中国|成都]