斷裂力學(xué)是各行業(yè)的基礎(chǔ)學(xué)科之一。半圓彎拉（SCB）試驗為該領(lǐng)域經(jīng)典試驗,目前含裂紋的SCB研究多為底部切口等表面裂紋或穿透型裂紋研究。內(nèi)裂紋和內(nèi)部類裂紋缺陷是材料的固有屬性,但是對于SCB內(nèi)裂紋擴展規(guī)律研究較少。基于3D-ILC （三維激光疲勞內(nèi)裂紋）技術(shù),分析了表面無任何影響的情況下憑空生成任意參數(shù)的純內(nèi)裂紋,在SCB試樣中生成內(nèi)裂紋,對含內(nèi)裂紋試樣進行SCB試驗,分析了裂紋生長過程、應(yīng)力雙折射規(guī)律、Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型裂紋擴展面、破壞形態(tài)、宏微觀斷口特征,開展數(shù)值模擬,得到裂紋尖端應(yīng)力強度因子分布規(guī)律及擴展路徑,與物理試驗一致。結(jié)果表明:（1）基于3D-ILC的SCB內(nèi)裂紋及Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型擴展斷裂規(guī)律明顯,3D-ILC為斷裂力學(xué)中的內(nèi)裂紋問題研究提供了有力工具;（2）應(yīng)力云紋在內(nèi)裂紋處顯示應(yīng)力集中,SCB整體云紋在內(nèi)裂紋處發(fā)生明顯變異;（3） SCB試樣從預(yù)制裂紋處發(fā)生壓剪型起裂,發(fā)生Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型裂紋擴展,分為光滑區(qū)和撕裂區(qū),持續(xù)生長轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)斷裂進而破壞,動態(tài)斷口存在裂紋分叉出現(xiàn)霧化區(qū)、羽毛區(qū)特征;（4）根據(jù)M積分和最大周向應(yīng)力準(zhǔn)則,對試樣進行了數(shù)值模擬,得到了試樣內(nèi)裂紋尖端應(yīng)力強度因子分... 

【文章來源】：巖土力學(xué). 2020,41(01)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：13 頁

【部分圖文】：

翼型裂紋擴展面特征Fig.8Extensioncharacteristicsofwingcrack滑區(qū)

116巖土力學(xué)2020年下，裂紋偏離原來的平面，具有了“方向不穩(wěn)定性”，在向穩(wěn)定純I型轉(zhuǎn)變的過程中，形成包裹狀翼型裂紋形態(tài)。具體公式推導(dǎo)可參見已有文獻[10]，此處不再列出。而在本試驗中，裂紋擴展面明顯偏離原裂紋平面一定角度，且裂紋擴展呈現(xiàn)一直處于修正狀態(tài)的曲面，即在I-II型場作用下，裂紋慢慢偏轉(zhuǎn)朝向純I型裂紋“修正”，在三維空間形成“翼型包裹”裂紋。圖9為本文裂紋形態(tài)與已有文獻[20-21]翼裂紋對比（將本試驗翼裂紋旋轉(zhuǎn)一定角度以增加對比的直觀性）。(a)本試驗翼裂紋(b)文獻[20]翼裂紋(c)文獻[21]翼裂紋圖9包裹狀裂紋對比圖Fig.9Wingcracks4.2撕裂區(qū)與III型裂紋撕裂區(qū)位于擴展面的側(cè)面，隨著翼型裂紋擴展到一定程度后出現(xiàn)。通過觀察可知，此區(qū)域擴展面呈現(xiàn)明顯的矛狀形態(tài)，國內(nèi)也有研究者描述為針刺狀，擴展面實際為凹凸不平的臺階狀特征，為典型的III型參與作用下產(chǎn)生的裂紋面形貌。同時結(jié)合3.1節(jié)的I-II型裂紋，III型疊加下，判斷側(cè)面撕裂區(qū)為I-II-III復(fù)合裂紋。同時，由圖9可知，III型裂紋的參與作用并未改變裂紋整體擴展方向，只改變了裂紋擴展面表面的形態(tài)。圖10為已有文獻中的I-III型裂紋形態(tài)，圖10(a)因其裂紋形態(tài)的經(jīng)典性，成為斷裂力學(xué)領(lǐng)域頂刊《工程斷裂力學(xué)》（EngineeringFractureMechanics）永久封面[17]，圖10(b)為I-III裂紋理論圖及試驗圖，發(fā)表于《自然》（Nature）主刊[22]。除了裂紋擴展過程中觀察到形態(tài)，后文斷口分析中也可以觀測到宏觀的矛狀凹凸斷面；同時，通過第5部分?jǐn)?shù)值分析，撕裂區(qū)KIII分布水平較高，進

ń滓簿拖蟣?此彎曲，這個過程就決定了本試驗斷口中矛狀花樣的外形。5.2.2動態(tài)斷裂斷口及裂紋分叉當(dāng)一個非平衡力作用在一個含裂紋體內(nèi)部的任意一個體積單元上，這個體積單元將被加速，相應(yīng)的就獲得了動能，此時，忽略動能的靜態(tài)理論將不再適用，裂紋系統(tǒng)就變成了動態(tài)系統(tǒng)。通常認為，動態(tài)斷裂是由于裂紋擴展速度增加到一定程度或者由于外荷載動態(tài)變化（如沖擊）引起。本文試驗出現(xiàn)了動態(tài)斷裂，屬于前者。從斷口上來講，在翼型裂紋擴展區(qū)周圍，出現(xiàn)了霧化區(qū)和羽毛區(qū)等動態(tài)斷口特征，霧化區(qū)和羽毛區(qū)微觀斷口如圖15所示。圖15電子顯微鏡下分叉微觀斷口Fig.15Micro-fractographyinelectronmicroscope本試驗中霧化區(qū)斷口粗糙度稍大、反射率有所下降，為圓環(huán)狀區(qū)域，是裂紋擴展由緩慢到快速過渡的區(qū)域，反射率降低的原因是裂紋面上發(fā)生小尺度的次生斷裂，由圖15可看到微觀尺度上的表面次生裂紋。羽毛區(qū)呈放射狀，表面粗糙化，同時從側(cè)面看，可以看到裂紋的分叉現(xiàn)象，即裂紋不再沿一個裂紋尖端發(fā)展，而是出現(xiàn)一分為二或多個裂紋尖端，繼續(xù)擴展，是裂紋快速擴展區(qū)，放射條紋的收斂處為裂紋源。霧化區(qū)、羽毛區(qū)為快速動態(tài)斷裂的典型特征。從光滑區(qū)（鏡面區(qū)）到霧化區(qū)再到羽毛區(qū)，可判斷裂紋擴展的方向和尋找裂紋源，裂紋分叉記錄了動能耗散的不同階段。目前，動態(tài)斷口的形成機制及理論仍在發(fā)展之中，本文基于裂紋尖端場畸變理論[24]給出解釋。當(dāng)?shù)酌媪鸭y所受應(yīng)力達到一臨界點時，K超過Kc時（K為應(yīng)力強度因子；Kc為臨界應(yīng)力強度因子），裂紋開始擴展。圖16給出了一些選定的相對裂紋擴展速率下動態(tài)裂紋尖端應(yīng)力分量計算結(jié)果。圖16隨角度函數(shù)f

【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于激光–介質(zhì)損傷的三維內(nèi)裂紋3D-ILC實現(xiàn)[J]. 王海軍,張九丹,任然,湯雷,鐘凌偉.  巖土工程學(xué)報. 2019(12)
[2]基于3D-ILC含不同角度內(nèi)裂紋圓盤斷裂特性研究[J]. 王海軍,張九丹,任然,湯雷,郁舒陽,鐘凌偉,張珂.  巖土工程學(xué)報. 2019(09)
[3]基于3D-ILC含內(nèi)裂紋孔口脆性固體斷裂特性試驗[J]. 王海軍,郁舒陽,任然,湯雷,李欣昀,賈宇.  巖土力學(xué). 2019(06)
[4]Numerical study of the semi-circular bend dynamic fracture toughness test using discrete element models[J]. ZHAO GaoFeng,KAZERANI Tohid,MAN Ke,GAO Mz,ZHAO Jian.  Science China（Technological Sciences）. 2015(09)
[5]含三維內(nèi)置斷裂面新型材料斷裂體破裂過程研究[J]. 付金偉,朱維申,雒祥宇,李勇,周浩,張敦福.  中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2014(09)
[6]巖石指數(shù)型強度準(zhǔn)則在主應(yīng)力空間的特征[J]. 尤明慶.  巖石力學(xué)與工程學(xué)報. 2009(08)



本文編號：3387726