本發(fā)明屬于復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體的，涉及一種用于測試復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度的模具及方法。

背景技術(shù)：

金屬復(fù)合材料是由兩層或多層不同性能的金屬通過一定結(jié)合方法結(jié)合形成的一種復(fù)合材料。與單組元材料相比，經(jīng)過合理設(shè)計(jì)組合后的結(jié)構(gòu)層狀復(fù)合材料可以獲得相對較高的強(qiáng)度及較好的耐蝕、耐磨性能，而功能層狀復(fù)合材料則具有優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱及導(dǎo)磁等綜合性能。

金屬復(fù)合材料的界面由于受制造工藝、生產(chǎn)條件等因素的影響，可能會(huì)產(chǎn)生結(jié)合不均勻甚至部分未結(jié)合的情況，從而在實(shí)際使用過程中引發(fā)嚴(yán)重的質(zhì)量事故，因此界面結(jié)合質(zhì)量成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)問題，并已經(jīng)成為評價(jià)金屬層狀復(fù)合材料性能優(yōu)劣的主要指標(biāo)。評價(jià)金屬層狀復(fù)合材料界面結(jié)合性能的方法有很多種，定性的評價(jià)方法主要有彎曲試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)等，定量評價(jià)方法有剪切試驗(yàn)、剝離試驗(yàn)、界面結(jié)合度試驗(yàn)、壓痕試驗(yàn)及粘結(jié)拉伸試驗(yàn)等，無損檢測方法主要有超聲檢測技術(shù)、紅外熱波成像技術(shù)、聲-超聲技術(shù)、微波檢測技術(shù)等。

目前的檢測金屬復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度的方法，將試樣利用夾具固定，在基層上施加載荷，以檢測剪切強(qiáng)度。該方法存在某些不足，例如：僅適用于基層和復(fù)合層強(qiáng)度較高的材料，如鋼材、鎳材等材料，對于強(qiáng)度較低的材料，如1系、3系鋁合金，銅合金等材料并不適用。1系、3系鋁合金，銅合金使用目前的方法測試剪切強(qiáng)度，會(huì)發(fā)生基層或復(fù)合層彎曲變形的情況，導(dǎo)致檢測試驗(yàn)失敗。該方法對被檢試樣的加工要求高，且在測試過程中，對壓剪刃具和試樣位置要求非常高，若加工的試樣受剪切面并非基層和復(fù)合層結(jié)合界面處，將會(huì)嚴(yán)重影響測試結(jié)果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明提出一種測試復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度的模具及方法，利用結(jié)構(gòu)簡單、操作方便的模具進(jìn)行金屬復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度的評價(jià)，保證試驗(yàn)的成功率。

一方面，本發(fā)明提供一種測試復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度的模具，包括基座和刃具，所述基座設(shè)有上下貫通的刃具滑動(dòng)槽，所述刃具可滑動(dòng)的安裝在所述刃具滑動(dòng)槽中；

所述刃具滑動(dòng)槽的a側(cè)壁上設(shè)有水平方向的第一試樣孔，與所述刃具滑動(dòng)槽的a側(cè)壁平行的基座外壁上設(shè)有第一螺栓孔，所述第一螺栓孔與所述第一試樣孔連通，且其孔徑大于所述第一螺栓孔的孔徑，所述第一螺栓孔內(nèi)安裝有第一定位螺栓；

與所述刃具滑動(dòng)槽的a側(cè)壁垂直的所述基座的外壁上，設(shè)有用于觀察試樣的觀察窗口；

在所述基座與第一試樣孔相對的一側(cè)設(shè)有豁口，所述豁口與所述刃具滑動(dòng)槽貫通，所述豁口的寬度大于所述刃具的寬度；

與所述第一試樣孔對應(yīng)的所述刃具的側(cè)壁上設(shè)有水平方向的第二試樣孔，所述第二試樣孔的孔徑等于所述第一試樣孔的孔徑。

作為本發(fā)明優(yōu)選的方案，與所述第二試樣孔相對的所述刃具的側(cè)壁上設(shè)有第二螺栓孔，所述第二試樣孔與所述第二螺栓孔連通，所述第二試樣孔的孔徑大于所述第二螺栓孔的孔徑，所述第二螺栓孔內(nèi)安裝有第二定位螺栓。

進(jìn)一步的，本發(fā)明的模具包括定位銷，所述刃具滑動(dòng)槽的側(cè)壁上設(shè)有第一定位槽，所述刃具上設(shè)有與所述第一定位槽對應(yīng)的第二定位槽，所述定位銷安裝在所述第一定位槽和第二定位槽中。

作為本發(fā)明優(yōu)選的方案，所述基座與刃具之間的間隔為0.5～0.7mm。

作為本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案，所述豁口的寬度等于所述刃具滑動(dòng)槽的寬度。

具體的，本發(fā)明的模具中，所述觀察窗口的一個(gè)側(cè)壁與所述刃具滑動(dòng)槽的a側(cè)壁共面。

另一方面，本發(fā)明提供一種利用上述模具測試復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度的方法，包括以下步驟：

a、將被檢測的復(fù)合材料加工成圓柱形或方形的原始件；

b、在所述原始件上加工凹槽，作為試樣，所述凹槽寬度為0.2～0.5mm，所述試樣的界面位于所述凹槽范圍內(nèi)；

c、將所述試樣的一端放入所述第一試樣孔內(nèi)；

d、將所述刃具通過所述基座的豁口推入刃具滑動(dòng)槽，所述刃具進(jìn)入所述刃具滑動(dòng)槽的同時(shí)，所述試樣的另一端進(jìn)入所述第二試樣孔；

e、旋轉(zhuǎn)所述第一定位螺栓，調(diào)整試樣的位置，通過所述觀察窗口查看所述試樣的位置，使所述試樣上的凹槽邊緣與所述刃具滑動(dòng)槽的a側(cè)壁或刃具的側(cè)壁對齊，所述試樣的界面位于所述基座與刃具之間；

f、在所述刃具上施加豎直方向的載荷，將所述試樣的復(fù)合層從基層材料上沿界面剪切下來，記錄所述載荷的變化，選取最大載荷f；

g、計(jì)算剪切強(qiáng)度τ，τ＝f/s，其中s＝πl(wèi)²/4，l為所述界面的直徑。

作為本發(fā)明優(yōu)選的方案，所述步驟d之后包括步驟：所述刃具進(jìn)入所述刃具滑動(dòng)槽后，將所述定位銷插入所述第一定位槽和第二定位槽。

作為本發(fā)明優(yōu)選的方案，所述步驟e之后包括步驟：旋轉(zhuǎn)所述第二定位螺栓，固定所述試樣。

作為本發(fā)明優(yōu)選的方案，所述試樣上凹槽的深度為0.4～0.6mm。

本發(fā)明提供的測試復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度的模具及方法，在刃具上施加載荷，對復(fù)合材料強(qiáng)度的要求大大降低；在復(fù)合材料的界面處開設(shè)凹槽作為標(biāo)記，允許凹槽的位置有一定誤差范圍，降低了對加工精度的要求；在試驗(yàn)過程中，模具與試樣之間沒有摩擦產(chǎn)生，不影響測試結(jié)果。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的模具爆炸圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例基座結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例基座第一試樣孔的剖視圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例刃具結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例刃具第二試樣孔的剖視圖；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例試樣的示意圖；

圖7是本發(fā)明實(shí)施例的模具夾持試樣的示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行更加詳細(xì)的說明，以便能夠更好地理解本發(fā)明的方案及其各個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)。然而，以下描述的具體實(shí)施方式和實(shí)施例僅是說明的目的，而不是對本發(fā)明的限制。

如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供一種用于測試復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度的模具，該模具包括基座1和刃具2。試驗(yàn)時(shí)，試樣6的基層位于基座1內(nèi)，復(fù)合層位于刃具2內(nèi)，刃具2相對于基座1移動(dòng)，使得試樣6的界面受剪切力，即可測試復(fù)合材料界面的剪切強(qiáng)度。

如圖1、圖2和圖3所示，基座1上設(shè)有上下貫通的刃具滑動(dòng)槽11，刃具2可滑動(dòng)的安裝在刃具滑動(dòng)槽11中，實(shí)現(xiàn)刃具2與基座1的相對位移。

以刃具滑動(dòng)槽的a側(cè)壁111為基準(zhǔn)，在刃具滑動(dòng)槽的a側(cè)壁111上開設(shè)水平方向的第一試樣孔12，第一試樣孔12用于放置試樣。在與刃具滑動(dòng)槽的a側(cè)壁平行的基座外壁(基座的左側(cè)壁)上開設(shè)第一螺栓孔13，第一螺栓孔13與第一試樣孔12連通。第一螺栓孔13為螺紋孔，第一螺栓孔13內(nèi)安裝有第一定位螺栓3。第一試樣孔12的孔徑大于第一螺栓孔13的孔徑，這樣第一定位螺栓3可以穿過第一螺栓孔13，深入到第一試樣孔12。試驗(yàn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)第一定位螺栓3可調(diào)整試樣6的位置，也可對試樣6起到固定作用。

在與刃具滑動(dòng)槽的a側(cè)壁111垂直的基座的外壁(基座的前壁)上開有觀察窗口14。觀察窗口14也可設(shè)在基座的后壁上。觀察窗口14用于觀察試樣，在放置試樣時(shí)，可觀測試樣的位置，在施加載荷時(shí)，可觀測試樣的變形。本發(fā)明實(shí)施例中，觀察窗口14的一個(gè)側(cè)壁與刃具滑動(dòng)槽的a側(cè)壁111共面，便于對模具的加工制造。

在基座上與第一試樣孔12相對的一側(cè)(基座的右側(cè))設(shè)有豁口15。開設(shè)豁口15是為了方便刃具2裝入刃具滑動(dòng)槽11。豁口15與刃具滑動(dòng)槽11貫通，豁口15的寬度需大于刃具2的寬度，以便刃具2順利進(jìn)入刃具滑動(dòng)槽11。

如圖1、圖4和圖5所示，刃具2為長方體的形狀。刃具的側(cè)壁21與第一試樣孔12相對應(yīng)，在刃具的側(cè)壁21上設(shè)有水平方向的第二試樣孔22。第二試樣孔22與第一試樣孔12相對，試驗(yàn)時(shí)，試樣的一端位于第一試樣孔12，另一端位于第二試樣孔22。第二試樣孔22的孔徑等于第一試樣孔12的孔徑，便于試樣的放置和固定。

在刃具與第二試樣孔相對的側(cè)壁23上，開設(shè)有第二螺栓孔24，第二試樣孔22與第二螺栓孔24連通。第二螺栓孔24為螺紋孔，第二螺栓孔24內(nèi)裝安有第二定位螺栓4。第二試樣孔22的孔徑大于第二螺栓孔24的孔徑，這樣第二定位螺栓4可以穿過第二螺栓孔24，深入第二螺栓孔22內(nèi)。試驗(yàn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)第二定位螺栓4，與第一定位螺栓3配合，實(shí)現(xiàn)試樣6的位置調(diào)節(jié)及固定。

為了便于試樣的觀察及刃具2在刃具滑動(dòng)槽11內(nèi)的滑動(dòng)，在基座1與刃具2之間設(shè)有0.5～0.7mm的間隔。間隔過小不利于試樣的觀察，間隔過大不利于刃具2在刃具滑動(dòng)槽11內(nèi)的滑動(dòng)。

更進(jìn)一步的，為了保證刃具2在刃具滑動(dòng)槽11內(nèi)移動(dòng)的精度，避免刃具2移動(dòng)的錯(cuò)位，在刃具滑動(dòng)槽的側(cè)壁上設(shè)有第一定位槽16，在刃具2上，與第一定位槽16對應(yīng)的設(shè)有第二定位槽25。本發(fā)明實(shí)施例中，模具還包括定位銷5。試驗(yàn)時(shí)，先將刃具2推入刃具滑動(dòng)槽11內(nèi)，第一定位槽16與第二定位槽25相對，將定位銷5插入第一定位槽16和第二定位槽25中，可以對刃具2起到導(dǎo)向的作用。

另一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供一種利用上述模具測試復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度的方法，包括以下步驟：

1、將被檢測的復(fù)合材料加工成圓柱形的原始件。

2、如圖6所示，在原始件上加工凹槽61，作為試樣；凹槽61為v形或u形，凹槽61寬度為0.2～0.5mm，凹槽61的深度為0.4～0.6mm；試樣基層x與復(fù)合層y的界面62位于凹槽61的范圍內(nèi)。

3、將試樣6的一端放入第一試樣孔12內(nèi)。

4、將刃具2通過基座的豁口15推入刃具滑動(dòng)槽11，刃具2進(jìn)入刃具滑動(dòng)槽11的同時(shí)，試樣6的另一端進(jìn)入第二試樣孔22。

5、刃具2進(jìn)入刃具滑動(dòng)槽11后，將定位銷5插入第一定位槽16和第二定位槽25。

6、如圖7所示，旋轉(zhuǎn)第一定位螺栓3，調(diào)整試樣6的位置，通過觀察窗口14查看試樣的位置，使試樣6上的凹槽邊緣與刃具滑動(dòng)槽的a側(cè)壁或刃具的側(cè)壁對齊，試樣6的界面位于基座1與刃具2之間，旋轉(zhuǎn)第二定位螺栓4，固定試樣6。

7、在刃具2上施加豎直方向的載荷z，將試樣6的復(fù)合層從基層材料上沿界面剪切下來，記錄載荷的變化，選取最大載荷f。

8、計(jì)算剪切強(qiáng)度τ，τ＝f/s，其中s＝πl(wèi)²/4，l為界面的直徑。

本發(fā)明實(shí)施例中，原始件并不一定為圓柱形，方形的也可用于測試，只是圓柱形的原始件便于加工。

圖7中的虛線箭頭指的是試樣6上的凹槽邊緣與刃具滑動(dòng)槽的a側(cè)壁或刃具的側(cè)壁對齊。

將試樣上凹槽61寬度限定為0.2～0.5mm，凹槽61的深度限定為0.4～0.6mm，是為了便于試樣的加工，同時(shí)又能保證操作人員便于觀察到凹槽。本發(fā)明實(shí)施例，只要求試樣的界面62位于凹槽61的范圍即可，大大降低了對加工精度的要求，允許了一定的誤差。

本發(fā)明實(shí)施例的測試復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度的模具及方法，在刃具上施加載荷，而不是在試樣上施加載荷，這就大大降低了對復(fù)合材料強(qiáng)度的要求。在試驗(yàn)過程中，模具與試樣之間不會(huì)有摩擦產(chǎn)生，不會(huì)因摩擦而影響測試結(jié)果。

實(shí)施例1

本實(shí)施例使用3003鋁合金和5754鋁合金復(fù)合板材進(jìn)行檢測。

將3003鋁合金和5754鋁合金經(jīng)過熱軋復(fù)合成板材，復(fù)合板厚度30mm，其中3003鋁合金20mm，5754鋁合金10mm。

將3003鋁合金和5754鋁合金復(fù)合板經(jīng)熱處理成為o態(tài)，3003鋁合金抗拉強(qiáng)度110mpa，5754鋁合金抗拉強(qiáng)度220mpa。

將3003鋁合金和5754鋁合金復(fù)合板加工成為φ10mm的圓柱形棒材，作為原始件。

在原始件的界面處加工一寬0.5mm、深0.4mm的v形凹槽，界面接觸面積s＝66.4mm²，作為試樣。

將試樣一段伸入基座的第一試樣孔中，v形凹槽與第一試樣孔的端面平齊，轉(zhuǎn)動(dòng)第一定位螺栓，將試樣在基座中位置固定。

推動(dòng)刃具進(jìn)入刃具滑動(dòng)槽，將試樣的另一端插入第二試樣孔，轉(zhuǎn)動(dòng)第二定位螺栓，固定試樣在刃具中位置。

將定位銷放置在第一定位槽和第二定位槽內(nèi)，固定刃具與基座位置。

將裝配好的模具放置到力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上，刃具上方開始施加力，施力速度為5mm/s，試驗(yàn)進(jìn)行直至界面被破壞停止，讀出最大力f＝6.12kn。

計(jì)算界面結(jié)合強(qiáng)度τ＝f/s＝92.2mpa。

實(shí)施例2

本實(shí)施例使用3003鋁合金和5754鋁合金復(fù)合板材進(jìn)行檢測。

將3003鋁合金和5754鋁合金經(jīng)過熱軋復(fù)合成板材，復(fù)合板厚度30mm，其中3003鋁合金20mm，5754鋁合金10mm。

將3003鋁合金和5754鋁合金復(fù)合板經(jīng)熱處理成為o態(tài)，3003鋁合金抗拉強(qiáng)度110mpa，5754鋁合金抗拉強(qiáng)度220mpa。

將3003鋁合金和5754鋁合金復(fù)合板加工成為φ10mm的圓柱形棒材，作為原始件。

在原始件的界面處加工一寬0.2mm、深0.6mm的u形凹槽，界面接觸面積s＝60.8mm²，作為試樣。

將試樣一段伸入基座的第一試樣孔中，v形凹槽與第一試樣孔的端面平齊，轉(zhuǎn)動(dòng)第一定位螺栓，將試樣在基座中位置固定。

推動(dòng)刃具進(jìn)入刃具滑動(dòng)槽，將試樣的另一端插入第二試樣孔，轉(zhuǎn)動(dòng)第二定位螺栓，固定試樣在刃具中位置。

將定位銷放置在第一定位槽和第二定位槽內(nèi)，固定刃具與基座位置。

將裝配好的模具放置到力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上，刃具上方開始施加力，施力速度為5mm/s，試驗(yàn)進(jìn)行直至界面被破壞停止，讀出最大力f＝5.93kn。

計(jì)算界面結(jié)合強(qiáng)度τ＝f/s＝97.5mpa。

需要說明的是，以上參照附圖所描述的各個(gè)實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明而非限制本發(fā)明的范圍，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的前提下對本發(fā)明進(jìn)行的修改或者等同替換，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。此外，除上下文另有所指外，以單數(shù)形式出現(xiàn)的詞包括復(fù)數(shù)形式，反之亦然。另外，除非特別說明，那么任何實(shí)施例的全部或一部分可結(jié)合任何其它實(shí)施例的全部或一部分來使用。