本發(fā)明涉及對(duì)竹、木材斷裂韌性的測(cè)試，尤其涉及一種測(cè)試竹/木材順紋方向Ⅰ型裂紋斷裂韌性的方法。

背景技術(shù)：

斷裂力學(xué)是研究含裂紋構(gòu)件裂紋的平衡、擴(kuò)展和失穩(wěn)規(guī)律，以保證構(gòu)件安全工作的一門科學(xué)。按照受力情況，裂紋開裂可以分為張開型(I型)、滑開型(II型)和撕裂型(III型)三種，張開型裂紋是材料或者結(jié)構(gòu)最常見的失效形式，也是最危險(xiǎn)的破壞形式。由于竹、木材都是非常好的建筑工程材料，有著優(yōu)良的力學(xué)性能，并且環(huán)保再生能力強(qiáng)，但是它們屬于天然的正交異性材料，順紋方向的力學(xué)性能較弱，從工程實(shí)踐到工程安全的可靠性出發(fā)，探討和測(cè)量竹、木材順著纖維方向的I型裂紋的斷裂韌性有著重要的工程價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。目前所使用的測(cè)試方法主要有三點(diǎn)彎曲和雙懸臂梁試驗(yàn)等，但是測(cè)試過(guò)程復(fù)雜麻煩，精度受試驗(yàn)條件的影響較顯著。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種操作簡(jiǎn)單、可靠性好，且測(cè)試結(jié)果精度高、重復(fù)性好的測(cè)試竹/木材順紋方向Ⅰ型裂紋斷裂韌性的方法。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為：一種測(cè)試竹/木材順紋方向Ⅰ型裂紋斷裂韌性的方法，包括以下具體步驟：

(1)、在竹或木材上取樣，并沿順紋方向加工出扁平狀的待測(cè)試樣，待測(cè)試樣的長(zhǎng)度為寬度的4～6倍、厚度為寬度的1/6～1/4；

(2)、從待測(cè)試樣的一端沿長(zhǎng)度方向在待測(cè)試樣中預(yù)制開縫，開縫的長(zhǎng)度為待測(cè)試樣長(zhǎng)度的1/4～1/2、寬度為0～1mm；

(3)、將待測(cè)試樣中位于開縫的上下兩側(cè)的部分分別與萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的兩個(gè)上下夾頭對(duì)應(yīng)固定，并將待測(cè)試樣的另一端固定在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)中，然后萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的兩個(gè)夾頭對(duì)待測(cè)試樣進(jìn)行位移加載，控制位移加載率為0～2mm/min，萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄從加載開始到裂紋起裂過(guò)程的載荷與時(shí)間P～T曲線，兩個(gè)夾頭對(duì)待測(cè)試樣施加的載荷逐漸增加，當(dāng)載荷突然卸載變小時(shí)，此刻為裂紋起裂時(shí)刻，同時(shí)記下此刻的峰值載荷p_峰；

(4)、當(dāng)開縫位于待測(cè)試樣寬度方向的中間位置時(shí)，根據(jù)關(guān)系式I＝bh³/12得到竹或木材順紋方向Ⅰ型裂紋的斷裂韌性，其中，K_ic為竹或木材順紋方向Ⅰ型裂紋的斷裂韌性，l為夾頭與待測(cè)試樣的固定點(diǎn)到開縫終點(diǎn)的距離，b為待測(cè)試樣的厚度，h為待測(cè)試樣的半寬度，I為半個(gè)待測(cè)試樣的慣性矩；

(5)、當(dāng)開縫位于待測(cè)試樣寬度方向的非中間位置時(shí)，根據(jù)關(guān)系式I₁＝bh₁³/12，I₂＝bh₂³/12得到竹或木材順紋方向Ⅰ型裂紋的斷裂韌性，其中：K_ic為竹或木材順紋方向Ⅰ型裂紋的斷裂韌性，l為夾頭與待測(cè)試樣的固定點(diǎn)到開縫終點(diǎn)的距離，b為待測(cè)試樣的厚度，h₁為待測(cè)試樣中位于開縫上側(cè)部分的寬度，I₁為待測(cè)試樣中位于開縫上側(cè)部分的慣性矩，h₂為待測(cè)試樣中位于開縫下側(cè)部分的寬度，I₂為待測(cè)試樣中位于開縫下側(cè)部分的慣性矩。

進(jìn)一步地，所述的待測(cè)試樣的寬度為被取樣的竹或木材直徑的1/4～1/2。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)本方法測(cè)試竹、木材順紋方向Ⅰ型裂紋的斷裂韌性，其操作簡(jiǎn)單，可靠性強(qiáng)，測(cè)試結(jié)果精度高、重復(fù)性好。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的待測(cè)試樣的正視圖之一；

圖2為本發(fā)明的待測(cè)試樣的正視圖之二；

圖3為本發(fā)明的懸臂梁試樣承載示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例的待測(cè)試樣在測(cè)試過(guò)程中的載荷與時(shí)間P～T曲線圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例的斷裂韌性K_ic隨載荷P、時(shí)間T的變化曲線圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

一種測(cè)試竹子順紋方向Ⅰ型裂紋斷裂韌性的方法，包括以下具體步驟：

(1)、在竹子上取樣，并沿順紋方向加工出扁平狀的待測(cè)試樣1，待測(cè)試樣1的長(zhǎng)度L₁為100mm、寬度H為17mm、厚度b為4mm；

(2)、從待測(cè)試樣1的一端沿長(zhǎng)度方向在待測(cè)試樣中預(yù)制開縫2，開縫2位于待測(cè)試樣1寬度方向的中間位置(如圖1所示)，開縫2的長(zhǎng)度L₂為30mm、寬度為0.5mm；

(3)、將待測(cè)試樣1中位于開縫2的上下兩側(cè)的部分分別與萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的兩個(gè)上下夾頭對(duì)應(yīng)固定，并將待測(cè)試樣1的另一端固定在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)中，然后萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的兩個(gè)夾頭對(duì)待測(cè)試樣進(jìn)行位移加載，控制位移加載率為0.5mm/min，萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄從加載開始到裂紋起裂過(guò)程的載荷與時(shí)間P～T曲線，兩個(gè)夾頭對(duì)待測(cè)試樣1施加的載荷逐漸增加，當(dāng)載荷突然卸載變小時(shí)，此刻為裂紋起裂時(shí)刻，同時(shí)記下此刻的峰值載荷p_峰；

(4)、根據(jù)關(guān)系式I＝bh³/12得到竹子順紋方向Ⅰ型裂紋的斷裂韌性，其中，K_ic為竹子順紋方向Ⅰ型裂紋的斷裂韌性，l為夾頭與待測(cè)試樣的固定點(diǎn)A到開縫2終點(diǎn)的距離，b為待測(cè)試樣的厚度，h為待測(cè)試樣的半寬度，I為半個(gè)待測(cè)試樣的慣性矩；

將上述8個(gè)同樣尺寸的待測(cè)試樣一一進(jìn)行斷裂韌性測(cè)試，得到的平均斷裂韌性為3.5MPa.m^1/2，誤差在10％以內(nèi)，其精度和重復(fù)性較好。

步驟(4)中的關(guān)系式基于懸臂梁理論推導(dǎo)得到，具體推導(dǎo)過(guò)程為：

將待測(cè)試樣簡(jiǎn)化為梁，由圖3可知，b為待測(cè)試樣的厚度，h為待測(cè)試樣的半寬度，l為夾頭與待測(cè)試樣的固定點(diǎn)A到開縫2終點(diǎn)的距離，D/2為力作用點(diǎn)沿力方向的位移。根據(jù)材料力學(xué)中平面應(yīng)力時(shí)梁的撓度公式，得到力作用下位移如下:

這里E是材料的彈性模量，I＝bh³/12是半個(gè)待測(cè)試樣的慣性矩。當(dāng)裂紋起裂時(shí)，這時(shí)系統(tǒng)在恒拉力P作用下釋放的能量dΠ表達(dá)為：

dΠ＝pdD/2 (2)

在恒力作用下，對(duì)(1)式進(jìn)行微分：

又已知單條裂紋能量釋放率的表達(dá)式為：

能量釋放率G與斷裂韌性K_ic存在如下關(guān)系：

由(2)～(5)可得：

在起裂時(shí)，實(shí)際上P是取得最大值時(shí)，因此得到竹子順紋方向Ⅰ型裂紋的斷裂韌性。

當(dāng)開縫2位于待測(cè)試樣1寬度方向的非中間位置時(shí)(如圖2所示)，則根據(jù)關(guān)系式I₁＝bh₁³/12，I₂＝bh₂³/12得到竹子順紋方向Ⅰ型裂紋的斷裂韌性，其中，K_ic為竹子順紋方向Ⅰ型裂紋的斷裂韌性，l為夾頭與待測(cè)試樣的固定點(diǎn)A到開縫2終點(diǎn)的距離，b為待測(cè)試樣的厚度，h₁為待測(cè)試樣中位于開縫上側(cè)部分的寬度，I₁為待測(cè)試樣中位于開縫上側(cè)部分的慣性矩，h₂為待測(cè)試樣中位于開縫下側(cè)部分的寬度，I₂為待測(cè)試樣中位于開縫下側(cè)部分的慣性矩。

此外，上述方法也同樣適用于對(duì)木材順紋方向Ⅰ型裂紋的斷裂韌性的測(cè)試，開縫的寬度根據(jù)加工工具的不同在0～1mm的范圍內(nèi)均可，萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的兩個(gè)夾頭對(duì)待測(cè)試樣的位移加載率控制在0～2mm/min之間，且位移加載率在可達(dá)到的能力下越小越好。