不同硬度工程材料的拉伸性能及试验方法研究

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在工程应用中,工程材料除了少数情况承受拉伸载荷外,多数情况是承受压缩载荷,而其抗压强度通常要远大于抗拉强度,从而直接或间接地导致材料拉伸失效。尤其在地震、爆炸以及冲击等动态载荷作用下,应力波的作用使材料、结构的拉伸失效上升为主要矛盾。然而,在进行拉伸试验方法研究时,由于材料本身的结构性质使得这些方法并非对所有硬度工程材料均适用。因此,选取不同硬度的工程材料对其拉伸性能及试验方法的可靠性研究就显得颇具意义。  基于此,本文选取砂浆-花岗岩、硬质聚氨酯泡沫和硅橡胶泡沫三种不同硬度等级的工程材料,主要围绕以下几个方面展开工作:  (1)砂浆-花岗岩界面的准静态拉伸试验研究。试验研究了骨料与砂浆上下放置的位置关系对界面拉伸性能的影响。试验结果表明,骨料在上相对于骨料在上的试件,其弹性变形阶段的应力-应变表现为明显的线性增长关系,并且具有较高的杨氏模量、抗拉强度和明显的屈服现象。  (2)砂浆-花岗岩界面的动态直接拉伸试验研究。结果表明,DIF值随应变率的增大而提高,而且其率敏感性还与骨料表面粗糙度、试件长径比有着密切关系,即在相同加载气压下,DIF值随骨料表面粗糙度的增大而减小,故ITZ平均抗拉强度随粗糙度的增大而减小。此外,砂浆-花岗岩ITZ的平均抗拉强度随着长径比的增大而有明显下降趋势,且其下降幅度会随骨料表面粗糙度的增大而减小。  (3)砂浆-花岗岩界面的动态劈裂试验研究。考虑直径、长径比、粗糙度和应变率四种因素对ITZ抗拉强度的影响,发现ITZ的劈拉强度随骨料表面粗糙度和直径的增大而增强且显著性明显,而试样长径比和加载气压对界面强度虽然也有一定的影响,但并不显著。  (4)硬质聚氨酯泡沫动态直接拉伸试验研究。研究表明,随着加载应变率的增大,材料的屈服现象就愈加明显且抗拉强度明显增强,即表现出一定的率敏感性;在杆系直径范围内,对于同一长径比,当试件尺寸以固定比例的增量增加时,硬质聚氨酯泡沫的抗拉强度是逐渐增大的。然而,试件的断裂应变和应变率却随尺寸的增大而降低。此外,其平均抗拉强度随径向长径比的增大而逐渐降低,而随轴向长径比的增大而增强。  (5)硬质聚氨酯泡沫的动静态劈裂试验研究。硬质聚氨酯泡沫的准静态和动态劈裂试验,主要研究应变率和长径比对其拉伸性能及破坏情况的影响。结果表明,在准静态劈裂试验中,其抗拉强度随着应变率的增大而增大,而且与密度有着密切关系,即材料密度越大,抗拉强度也相对较高。材料的弹性模量、屈服强度也随加载应变率的增加而有增大的趋势,而其抗拉强度和弹性模量随试件长径比的增大而降低;在动态劈裂试验中,DIF值随应变率的增大而明显升高,且呈非线性增长的趋势,而且其抗拉强度、弹性模量随长径比的增大而降低。  (6)硅橡胶泡沫的准静态直接拉伸试验研究。通过夹具式拉伸的方法研究了回温效应对SRF拉伸性能的影响,结果表明:随着温度的升高,SRF的抗拉强度逐渐降低,而回温后的抗拉强度明显增强,且随着加载时间的增加,其泊松比呈现缓慢下降的趋势;采用胶粘式拉伸对SRF的应变率效应、尺寸效应进行了研究,发现SRF的抗拉强度随应变率的增加而增大,而断裂伸长率却随应变率的升高而降低。在恒应变率加载的情况下,SRF的抗拉强度、应变、弹性模量均随长径比的增大而减小,而且断裂伸长率也随长径比的增大而降低。
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