利用同心圆柱型试样测试脆性材料动态抗剪强度的方法

摘要

本发明提供了一种利用同心圆柱型试样测试脆性材料动态抗剪强度的方法，其将同心圆柱型试样安装在霍布金森压力测试装置上，对同心圆柱型试样的轴向两端施加加载力，利用加载力、霍布金森压力杆的弹模E、霍布金森压力杆的圆形横截面积A、同心圆柱型试样的内部圆柱的半径R、同心圆柱型试样的内外部圆柱重叠高度H，按下式计算得到材料的动态抗剪强度τ

说明书

技术领域

本发明属于材料性能测试领域，涉及一种利用同心圆柱型试样测试脆性材料动态抗剪强度的方法。

技术背景

岩石等脆性材料的抗剪特性是一种很重要的特性。目前用于测定脆性材料抗剪性能主要是采用变角板试验和双(单)面剪试验。上述两种实验，均为静态或准静态下(10^-1～10¹MPa/s)的抗剪试验。对于中高加载率下(10⁵～10⁶MPa/s)的动态抗剪强度，由于受目前的测试手段的限制，一直无法进行测试。

发明内容

本发明的所要解决的技术问题是，提出利用同心圆柱型试样测试脆性材料动态抗剪强度的方法。

本发明的技术解决方案如下：一种利用同心圆柱型试样测试脆性材料动态抗剪强度的方法，其特征在于，将同心圆柱型试样安装在霍布金森压力测试装置上，对同心圆柱型试样的轴向两端施加加载力，利用加载力、霍布金森压力杆的弹模E、霍布金森压力杆的圆形横截面积A、同心圆柱型试样的内部圆柱的半径R、同心圆柱型试样的内外部圆柱重叠高度H，按下式计算得到材料的动态抗剪强度τ_d：

${\tau }_d=\frac{\mathrm{EA}}{4\mathrm{\pi RH}}[{ϵ}_I\left(t\right)+{ϵ}_R\left(t\right)+{ϵ}_T\left(t\right)];$

式中：ε_I(t)为入射应变脉冲，ε_R(t)为反射应变脉冲，ε_T(t)为透射应变脉冲。

所述的同心圆柱型试样由两个同心且高度相等的内部圆柱与外部圆柱组成，且内部圆柱的一端从外部圆柱的一端伸出。

有益效果：

利用上述方法，可以获得加载率段(10⁵～10⁶MPa/s)的动态抗剪强度，填补了该研究领域内的空白。

目前在测试材料的静态或准静态下抗剪强度实验中，材料试样主要做成立方体或方体形式，然后利用变角板试验或双(单)面剪试验方法进行测试。利用上述两种方法，通过调节实验系统加载速率范围，只能获得加载率段10^-1～10¹MPa/s材料的抗剪强度，更高加载率下的实验无法通过静载实验机完成。对于加载率段为10⁵～10⁶MPa/s材料的动态性能测试实验，目前主要采用霍布金森装置。由于霍布金森实验系统中入射杆和透射杆的截面为圆形，因此可以进行冲击压缩或冲击劈裂实验(冲击压缩和冲击劈裂中材料试样形状为圆柱形，跟静载实验中材料试样形状一致)。受霍布金森杆截面形状的限制，无法把静载抗剪实验中方体形状的试样直接应用于霍布金森装置上进行冲击抗剪实验，加载率段为10⁵～10⁶MPa/s材料的抗剪性能测试一直无法实现。因此，结合霍布金森实验装置的特点(即要求试样的横截面与霍布金森实验装置中入射杆和透射杆的圆形截面相匹配)和材料抗剪性能测试的要求(即要求在试样中有一个剪切面，本试样中的剪切面为2个圆柱相错开的那一个环形面)，本发明提出了利用同心圆柱型试样测试脆性材料动态抗剪强度的方法。目前霍布金森实验装置及其实验原理已经非常成熟并得到广泛应用，本发明通过设计试样的形状，并基于霍布金森的实验原理进行冲击抗剪实验，实验结果的精度和准确度可以得到保证。

附图说明

图1 SHPB装置上动态抗剪试验示意图；

图2试样形状平面示意图；

图3试样形状立体示意图。

图中标号说明：1-冲击载荷，2-入射杆，3-应变片，4-同心圆柱型试样，5-透射杆，6-吸收杆。

具体实施方式

以下将结合图和具体实施过程对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

实施例1.在SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar，霍布金森压力杆，简称SHPB)装置上进行动态抗剪试验时，选取外部直径为50mm、高度为30mm的圆柱型试样，内部圆柱直径为25～30mm、高度为30mm，内部圆柱与外部圆柱相错，且内部圆柱伸出10mm(见图2和3)。将试样平放于SHPB装置的入射杆和透射杆中间并紧密接触，然后在入射杆的另一端施加冲击载荷，记录下冲击试验过程中入射杆中的入射应变脉冲、反射应变脉冲和透射杆中的透射应变脉冲，按下式计算即可得到材料的动态抗剪强度：

${\tau }_d=\frac{\mathrm{EA}}{4\mathrm{\pi RH}}[{ϵ}_I\left(t\right)+{ϵ}_R\left(t\right)+{ϵ}_T\left(t\right)]$

式中：τ_d为抗剪强度(MPa)，E为是霍布金森压力杆的弹模(MPa)，A为霍布金森压力杆的圆形横截面积(mm²)，ε_I(t)为入射应变脉冲，ε_R(t)反射应变脉冲，ε_T(t)为透射应变脉冲，R为试样内部圆柱的半径(mm)，H为内外部圆柱重叠高度(mm)。

E是霍布金森压力杆的弹模，该量在安装霍布金森实验系统的过程中已经标定，属于常量。A、R和H可以利用标尺或游标卡尺进行测量。ε_I(t)、ε_R(t)和ε_T(t)利用霍布金森实验系统可以得到。