一种测试竹/木材顺纹方向Ⅰ型裂纹断裂韧性的方法

摘要

本发明公开了一种测试竹/木材顺纹方向Ⅰ型裂纹断裂韧性的方法，特点是在竹或木材上取样，并沿顺纹方向加工出扁平状的待测试样，再从待测试样的一端沿长度方向在待测试样中预制开缝，将待测试样中位于开缝的上下两侧的部分分别与万能材料试验机的两个上下夹头对应固定，并将待测试样的另一端固定在万能材料试验机中，然后万能材料试验机的两个夹头对待测试样进行位移加载，两个夹头对待测试样施加的载荷逐渐增加，当载荷突然卸载变小时，此刻为裂纹起裂时刻，同时记下此刻的峰值载荷p峰，最后根据关系式得到竹或木材顺纹方向Ⅰ型裂纹的断裂韧性；优点是通过本方法测试竹、木材顺纹方向Ⅰ型裂纹的断裂韧性，其操作简单，可靠性强，测试结果精度高、重复性好。

说明书

技术领域

本发明涉及对竹、木材断裂韧性的测试，尤其涉及一种测试竹/木材顺纹方向Ⅰ型裂纹断裂韧性的方法。

背景技术

断裂力学是研究含裂纹构件裂纹的平衡、扩展和失稳规律，以保证构件安全工作的一门科学。按照受力情况，裂纹开裂可以分为张开型(I型)、滑开型(II型)和撕裂型(III型)三种，张开型裂纹是材料或者结构最常见的失效形式，也是最危险的破坏形式。由于竹、木材都是非常好的建筑工程材料，有着优良的力学性能，并且环保再生能力强，但是它们属于天然的正交异性材料，顺纹方向的力学性能较弱，从工程实践到工程安全的可靠性出发，探讨和测量竹、木材顺着纤维方向的I型裂纹的断裂韧性有着重要的工程价值和现实意义。目前所使用的测试方法主要有三点弯曲和双悬臂梁试验等，但是测试过程复杂麻烦，精度受试验条件的影响较显著。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种操作简单、可靠性好，且测试结果精度高、重复性好的测试竹/木材顺纹方向Ⅰ型裂纹断裂韧性的方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种测试竹/木材顺纹方向Ⅰ型裂纹断裂韧性的方法，包括以下具体步骤：

(1)、在竹或木材上取样，并沿顺纹方向加工出扁平状的待测试样，待测试样的长度为宽度的4～6倍、厚度为宽度的1/6～1/4；

(2)、从待测试样的一端沿长度方向在待测试样中预制开缝，开缝的长度为待测试样长度的1/4～1/2、宽度为0～1mm；

(3)、将待测试样中位于开缝的上下两侧的部分分别与万能材料试验机的两个上下夹头对应固定，并将待测试样的另一端固定在万能材料试验机中，然后万能材料试验机的两个夹头对待测试样进行位移加载，控制位移加载率为0～2mm/min，万能材料试验机自动记录从加载开始到裂纹起裂过程的载荷与时间P～T曲线，两个夹头对待测试样施加的载荷逐渐增加，当载荷突然卸载变小时，此刻为裂纹起裂时刻，同时记下此刻的峰值载荷p_峰；

(4)、当开缝位于待测试样宽度方向的中间位置时，根据关系式I＝bh³/12得到竹或木材顺纹方向Ⅰ型裂纹的断裂韧性，其中，K_ic为竹或木材顺纹方向Ⅰ型裂纹的断裂韧性，l为夹头与待测试样的固定点到开缝终点的距离，b为待测试样的厚度，h为待测试样的半宽度，I为半个待测试样的惯性矩；

(5)、当开缝位于待测试样宽度方向的非中间位置时，根据关系式I₁＝bh₁³/12，I₂＝bh₂³/12得到竹或木材顺纹方向Ⅰ型裂纹的断裂韧性，其中：K_ic为竹或木材顺纹方向Ⅰ型裂纹的断裂韧性，l为夹头与待测试样的固定点到开缝终点的距离，b为待测试样的厚度，h₁为待测试样中位于开缝上侧部分的宽度，I₁为待测试样中位于开缝上侧部分的惯性矩，h₂为待测试样中位于开缝下侧部分的宽度，I₂为待测试样中位于开缝下侧部分的惯性矩。

进一步地，所述的待测试样的宽度为被取样的竹或木材直径的1/4～1/2。

与现有技术相比，本发明的优点是通过本方法测试竹、木材顺纹方向Ⅰ型裂纹的断裂韧性，其操作简单，可靠性强，测试结果精度高、重复性好。

附图说明

图1为本发明的待测试样的正视图之一；

图2为本发明的待测试样的正视图之二；

图3为本发明的悬臂梁试样承载示意图；

图4为本发明实施例的待测试样在测试过程中的载荷与时间P～T曲线图；

图5为本发明实施例的断裂韧性K_ic随载荷P、时间T的变化曲线图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

一种测试竹子顺纹方向Ⅰ型裂纹断裂韧性的方法，包括以下具体步骤：

(1)、在竹子上取样，并沿顺纹方向加工出扁平状的待测试样1，待测试样1的长度L₁为100mm、宽度H为17mm、厚度b为4mm；

(2)、从待测试样1的一端沿长度方向在待测试样中预制开缝2，开缝2位于待测试样1宽度方向的中间位置(如图1所示)，开缝2的长度L₂为30mm、宽度为0.5mm；

(3)、将待测试样1中位于开缝2的上下两侧的部分分别与万能材料试验机的两个上下夹头对应固定，并将待测试样1的另一端固定在万能材料试验机中，然后万能材料试验机的两个夹头对待测试样进行位移加载，控制位移加载率为0.5mm/min，万能材料试验机自动记录从加载开始到裂纹起裂过程的载荷与时间P～T曲线，两个夹头对待测试样1施加的载荷逐渐增加，当载荷突然卸载变小时，此刻为裂纹起裂时刻，同时记下此刻的峰值载荷p_峰；

(4)、根据关系式I＝bh³/12得到竹子顺纹方向Ⅰ型裂纹的断裂韧性，其中，K_ic为竹子顺纹方向Ⅰ型裂纹的断裂韧性，l为夹头与待测试样的固定点A到开缝2终点的距离，b为待测试样的厚度，h为待测试样的半宽度，I为半个待测试样的惯性矩；

将上述8个同样尺寸的待测试样一一进行断裂韧性测试，得到的平均断裂韧性为3.5MPa.m^1/2，误差在10％以内，其精度和重复性较好。

步骤(4)中的关系式基于悬臂梁理论推导得到，具体推导过程为：

将待测试样简化为梁，由图3可知，b为待测试样的厚度，h为待测试样的半宽度，l为夹头与待测试样的固定点A到开缝2终点的距离，D/2为力作用点沿力方向的位移。根据材料力学中平面应力时梁的挠度公式，得到力作用下位移如下:

这里E是材料的弹性模量，I＝bh³/12是半个待测试样的惯性矩。当裂纹起裂时，这时系统在恒拉力P作用下释放的能量dΠ表达为：

dΠ＝pdD/2 (2)

在恒力作用下，对(1)式进行微分：

又已知单条裂纹能量释放率的表达式为：

能量释放率G与断裂韧性K_ic存在如下关系：

由(2)～(5)可得：

在起裂时，实际上P是取得最大值时，因此得到竹子顺纹方向Ⅰ型裂纹的断裂韧性。

当开缝2位于待测试样1宽度方向的非中间位置时(如图2所示)，则根据关系式I₁＝bh₁³/12，I₂＝bh₂³/12得到竹子顺纹方向Ⅰ型裂纹的断裂韧性，其中，K_ic为竹子顺纹方向Ⅰ型裂纹的断裂韧性，l为夹头与待测试样的固定点A到开缝2终点的距离，b为待测试样的厚度，h₁为待测试样中位于开缝上侧部分的宽度，I₁为待测试样中位于开缝上侧部分的惯性矩，h₂为待测试样中位于开缝下侧部分的宽度，I₂为待测试样中位于开缝下侧部分的惯性矩。

此外，上述方法也同样适用于对木材顺纹方向Ⅰ型裂纹的断裂韧性的测试，开缝的宽度根据加工工具的不同在0～1mm的范围内均可，万能材料试验机的两个夹头对待测试样的位移加载率控制在0～2mm/min之间，且位移加载率在可达到的能力下越小越好。