[发明专利]基于三点弯曲模式测试藤材断裂韧性的方法

说明书

技术领域

本发明属于测量领域，具体涉及一种用机械应力测藤材强度特性的方法。

背景技术

断裂力学是模拟具有应力集中木构件破坏的一种合理方法。将断裂力学的原理应用于木质材料在国外已有深入的进展，断裂力学的基本原理被国外学者广泛应用于木结构中节子和胶接口尺寸控制、木材强度预估、木材分等、木材干燥引起的开裂、木材切削时裂纹扩展规律等研究中，并有许多各自的实验方法来确定木材的断裂韧性K_IC。根据构件的受力方式，其裂纹扩展分为张开型、滑开型和撕开型，张开型(I型)裂纹扩展方式在加载中最常见，也是引起断裂的最危险破坏形式，因此，木竹材断裂力学中对I型裂纹研究的最多。故专利着重给出的是棕榈藤材I型裂纹的断裂韧性K_IC。

目前国内外都有测定材料的试验标准。例如：美国材料试验学会的ASTM-E399，ASTM-E1826，英国材料标准学会的BS5447-1977，中国国家标准GB4161-2007，国际标准化协会的ISO12737-2005，它们的测量基本原理都是一致的。但是自然界材料种类成千上万，虽然有些材料已经被广泛应用，但因其自身结构复杂，性能测试不能全面进行，加工者未知的参数影响了材料应用的发展。

棕榈藤材是重要的非木材林产品，同属木质材料，其在外形和构造上与竹材比较接近，所不同的是竹材是空心有隔，而棕榈藤材是实心的，与木材相同，但茎级上比木材小很多。棕榈藤材是一种天然材料，具有明显的正交各向异性，在横截面上又表现出梯度材料的特征。棕榈藤材的强度不仅受其构造特征、化学成分的影响，藤材在生长过程中和加工过程中形成的缺陷如节子、裂纹对其也有重大影响。裂纹的存在会影响到材料的质量和安全设计，棕榈藤材的断裂韧性还从未有人涉及，因此，探讨和测量棕榈藤材的K_IC值具有重要的实践意义。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提出一种基于三点弯曲模式测试藤材断裂韧性的方法。

实现本发明目的的技术方案为：

一种基于三点弯曲模式测试藤材断裂韧性的方法，包括步骤：

1)试样制备：将待测藤材加工为矩形块状试样，试样宽度W为待测藤材的最小直径值的1～2倍，长度L为4～5W，厚度为0.4～0.7W；在矩形试样中间加工出裂纹；

2)调整含水率：试样放入温度20℃、湿度为65％条件下的恒温恒湿箱内调节平衡，得到含水率为10-12％的试样；

3)记录载荷-裂纹张开口位移(PV)曲线：采用三点弯曲模式加载，支点跨距S为4W。试样垂直放于支撑辊中间，将COD位移计置于裂纹张开口处。以0.5mm/min的速度匀速加载，记录载荷-裂纹张开口位移(PV)曲线；

4)实际裂纹深度测量：试样在受弯加载破坏后，取保留断口断面的试样，在显微镜下测量裂纹的长度a_n，因为用薄刀片割制尖锐裂纹，在断面上可清晰地看到一条直线压痕，由于割制裂纹时不可能完全平行于底面，因而在试样不同厚度处测量试样裂纹的深度a₁、a₂、....a_n，最后取其平均值(a₁+a₂+....a_n)/n为裂纹的有效长度；n为2～10之间的正整数；

5)计算临界载荷P_Q和临界应力强度因子K_Q：根据步骤3)记录的载荷-裂纹张开口位移(PV)曲线求得载荷P_Q值和K_Q；

6)评估测试结果的有效性。

其中，所述步骤2)调整含水率是将试样放入温度20℃、湿度为65％条件下的恒温恒湿箱内，经过26-35天，得到含水率为10-12％的试样。通常是经过一个月。

进一步地，所述试样的宽度为10～50mm。藤材的直径常见的有10～50mm，可加工试样宽度10mm；裂纹深度a＝0.4～0.6W。

或，所述裂纹深度a＝0.45～0.55W。

其中，所述步骤3)中用载荷传感器和COD Gauge对试验过程中的弯曲载荷和位移进行自动记录。

优选地，所述步骤4)中，在试样的1/4、1/2、3/4厚度处测量裂纹的长度a_n，n＝3。

其中，所述步骤5)中临界应力强度因子的计算公式为：