T应力对扩展裂纹尖端塑性区域形状的影响

根据Williams级数解,裂纹尖端应力场由Ⅰ-Ⅱ复合型应力强度因子及T应力共同控制。将裂纹尖端应力分量代入Von Mises屈服准则,建立裂纹尖端塑性扩展区模型。基于该模型获得了在不同Ⅰ-Ⅱ复合比断裂情况下裂纹尖端塑性扩展区形状随T应力的变化规律,并对Ⅰ型和Ⅱ型断裂在复合型裂纹断裂所占的比例、T应力大小及泊松比对塑性区域形状的影响进行了讨论。研究结果表明:正的T应力引起裂纹断裂角θ_0减小,加剧裂纹扩展;负的T应力导致裂纹断裂角θ_0增大,并抑制裂纹扩展;T应力为0或纯Ⅰ型裂纹尖端塑性区存在对称轴,存在T应力后,塑性区域呈不对称分布,T应力绝对值越大,塑性区域面积越大,T应力对裂纹尖端塑性区形状及尺寸大小均有很大影响。此外,不同Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹,塑性区域面积均随泊松比的增大而减小。塑性区变化的观测结果对进一步分析加载条件下Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹工程结构缺陷的疲劳和断裂具有重要意义。     

如何判断在各种加载下的断裂模式:Ⅰ型还是Ⅱ型

长期以来传统的断裂力学最为突出的误解是将剪切下的断裂误认为是Ⅱ型断裂.通过对Ⅱ型加载裂纹尖端的应力研究表明,在裂纹尖端周围同时有周边(拉或压)应力和剪切应力存在.对于脆性材料,当裂纹尖端的最大周边拉应力大于最大剪应力时,只有Ⅰ型断裂可能发生.Ⅱ型断裂试验及研究表明,Ⅰ、Ⅱ型断裂发生是有前提条件的.Ⅰ型断裂发生的前提条件是:1),fromax/fomax＜1,或2),fromax/fomax＞1,但fromax/fomax＜KIIC/KIC;Ⅱ型断裂发生的前提条件是:fromax/fomax＞1和fromax/fomax＞KIIC/KIC·fromax是裂纹尖端最大无因次剪应力强度因子,fomax是裂纹尖端最大无因次拉应力强度因子.KⅠC和KIJC分别是材料的拉伸断裂韧度和剪切断裂韧度.     

轴承钢GCr15混合型（Ⅰ＋Ⅱ）断裂试验研究

采用紧凑拉伸剪切断裂试样（ＣＴＳ），对轴承钢ＧＣｒ１５进行了（Ⅰ＋Ⅱ）混合型断裂试验。试验结果表明，近似符合双参数ＫⅠＣ，ＫⅡＣ的椭圆规律，裂纹扩展开裂角θ０与裂尖塑性区的形状有关。     

剪切盒加载下岩石剪切(Ⅱ型)断裂韧度K_(ⅡC)的测定

采用剪切盒实验获得了岩石的Ⅱ型断裂并测定了岩石的Ⅱ型断裂韧度KⅡC ,通过有限单元法中的位移法推导出剪切盒加载下双切口试样的Ⅱ型应力强度因子KⅡ 的一般计算公式 ,并探讨了KⅡC的尺寸效应和Ⅱ型断裂机理 .实验及数值计算结果表明 :在剪切盒加载下 ,裂纹尖端最大拉应力始终低于岩石的拉伸强度 ,最大剪应力大于其对应压应力下的剪切强度 ,且Ⅱ型最大应力强度因子KⅡmax为Ⅰ型最大应力强度因子KⅠmax的 2～ 4倍 ,从而导致产生Ⅱ型断裂 ;测得的KⅡC值随无量纲切口长度 (2a W)的增加而降低 ,当 2a W≥ 0 .7,且B≥W ,α为 6 5°～ 75°时 ,KⅡC趋近于一个常数 ,该常数为Ⅰ型断裂韧度KⅠC的 2～ 3倍 ,可认为是较合理的岩石Ⅱ型断裂韧度值 ;剪切盒实验是一种测定岩石KⅡC 的行之有效的方法 .     

如何判断在各种加载下的断裂模式：I型还是Ⅱ型

长期以来传统的断裂力学最为突出的误解是将剪切下的断裂误认为是Ⅱ型断裂.通过对Ⅱ型加载裂纹尖端的应力研究表明,在裂纹尖端周围同时有周边(拉或压)应力和剪切应力存在.对于脆性材料,当裂纹尖端的最大周边拉应力大于最大剪应力时,只有Ⅰ型断裂可能发生.Ⅱ型断裂试验及研究表明,Ⅰ、Ⅱ型断裂发生是有前提条件的.Ⅰ型断裂发生的前提条件是:1),fθmax/fθmax<1,或2),fθmax/fθmax>1,但fθmax/fθmax1和fθmax/fθmax>KIIC/KIC·fθmax是裂纹尖端最大无因次剪应力强度因子,fθmax是裂纹尖端最大无因次拉应力强度因子.KIC和KIIC分别是材料的拉伸断裂韧度和剪切断裂韧度.     

Ⅰ＋Ⅱ型弹塑性断裂的宏观与微观过程

文章研究了３种不同材料的Ⅰ＋Ⅱ型弹塑性断裂的宏观与微观过程，观察结果表明，在以Ⅰ型载荷为主的复合型弹塑性断裂过程中，启裂及失稳断是纤维型断裂，受空穴体积分数的控制，断口为等轴韧窝，Ⅱ型载荷为主时，发生剪切型启裂，断口为抛物形韧窝＋平坦区，失稳断裂仍是纤维形，剪切启裂是受等效应变εｐ所控制，随Ⅱ型分量增加，韧窝尺寸减小。     

应力强度因子KⅡ的光弹性测定

作者采用了四点剪切加载方案,作了纯Ⅱ型裂纹K_I的测定.实验表明:光弹性法既能应用于测试Ⅰ型及混合型裂纹的应力强度因子,且能应用于纯Ⅱ型裂纹应力强度因子的测试,本文对Ⅱ型裂纹的断裂研究有一实的参考价值.     

棒料塑性剪切过程中裂纹的形成及扩展行为

通过轴向压力作用下棒料塑性切口工试验，获取了剪切分离面上断裂区形态，结果表明：断裂区呈对称月牙状，断裂面积比率随轴向压力的增大而减小。结合理论分析，提示了剪切过程中裂纹首先产生于棒料上活动剪刃与固定剪刃交叉的两水平端点，并沿活动剪刃和固定剪刃刃口迹线扩展。裂纹为Ⅱ、Ⅲ型的混合型，其中Ⅲ型裂纹扩展速度对于断裂区形态起着决定作用。     

剪切盒加载下岩石剪切(Ⅱ型)断裂韧度KⅡc的测定

采用剪切盒实验获得了岩石的Ⅱ型断裂并测定了岩石的Ⅱ型断裂韧度KⅡc,通过有限单元法中的位移法推导出剪切盒加载下双切口试样的Ⅱ型应力强度因子KⅡ的一般计算公式,并探讨了KⅡc的尺寸效应和Ⅱ型断裂机理.实验及数值计算结果表明在剪切盒加载下,裂纹尖端最大拉应力始终低于岩石的拉伸强度,最大剪应力大于其对应压应力下的剪切强度,且Ⅱ型最大应力强度因子KⅡmax为Ⅰ型最大应力强度因子KImax的2～4倍,从而导致产生Ⅱ型断裂;测得的KⅡ c值随无量纲切口长度(2a/W)的增加而降低,当2a/W≥0.7,且B≥W,α为65°～75°时,Kc趋近于一个常数,该常数为Ⅰ型断裂韧度KIc的2～3倍,可认为是较合理的岩石Ⅱ型断裂韧度值;剪切盒实验是一种测定岩石KⅡc的行之有效的方法.     

断裂模式对沥青混凝土低温开裂特性的影响规律

为了研究静载荷作用下加载模式和温度对沥青混凝土抗断裂性能的影响,在不同温度条件下,对裂缝沥青混凝土试件进行了纯I型、纯Ⅱ型、混合I/Ⅱ型等不同加载模式下的三点断裂试验.通过4种温度(-15℃、-5℃、0℃、10℃)和5种加载模式(纯Ⅰ型、纯Ⅱ型、混合型0.8、混合型0.5、混合型0.2)的断裂试验探究沥青混凝土的抗裂性和裂纹扩展规律.结果表明,加载模式和温度对沥青混凝土的抗裂性及裂纹扩展规律具有显著影响;此外,在某个特定的混合加载模式下,沥青混凝土的抗断裂能力最差,该混合加载模式可以作为评估沥青混凝土裂纹开始扩展的指标.     

混凝土Ⅱ型断裂的FCM和断裂能

本文讨论了混凝土Ⅱ型断裂的机理,并给出了一个产生Ⅱ型断裂的充分条件.从而,提出了Ⅱ型虚拟裂纹模型(FCM).并据此用有限元计算了属于Ⅱ型的剪切断裂能和压剪断裂能.在用刚性加载架对混凝土试样测得剪切荷载-切口相对位移全曲线的基础上,获得了剪切断裂能和压剪断裂能的试验值,它与电算值相当接近.试验结果表明,混凝土Ⅱ型断裂能约为Ⅰ型断裂能的20倍.     

重庆合川地区须二段岩石断裂韧度

探讨重庆合川地区上三叠统须家河组第二段储层岩石在水力压裂过程中的裂纹扩展特性。通过50 kN电子伺服试验机及“人”字形切槽巴西圆盘试件对须二段致密砂岩进行断裂韧度实验研究,获得Ⅰ型及Ⅱ型断裂韧度的数据,并对断裂韧度的特征及其与岩石力学参数的关系进行分析。结果表明须二段砂岩轴向和径向上的Ⅰ型断裂韧度都小于Ⅱ型断裂韧度。随着砂岩粒度的增大,Ⅰ型和Ⅱ型断裂韧度都逐渐减小,且与弹性模量、抗压强度、抗张强度及内聚力呈现较强的正相关性。Ⅰ型张开型的裂缝扩展特征和贯通程度要比Ⅱ型滑开型的简单且破坏较弱,若岩样中含有纹层等弱的岩石力学结构面,岩样的裂纹扩展样式更加复杂,断裂韧度测试值也相应地减小。合川地区须二段砂岩在纵向上进行压裂作业时,更容易在纵向上形成延伸较远的纵张裂缝。     

基于权函数法的沥青路面基-面层裂缝的扩展行为

为了研究半刚性基层沥青混凝土路面在行车荷载作用下出现的基层反射裂缝及其扩展规律,基于黏弹性断裂力学理论和权函数法,对反射裂缝的应力强度因子进行了分析,推导了Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹断裂判据理论.采用数值模拟方法分析了结构层厚度及荷载位置对基层反射裂缝的影响,并通过单边切口小梁试验研究了面层裂缝扩展模式.研究结果表明:Ⅰ型(K_Ⅰ)和Ⅱ型(K_Ⅱ)应力强度因子受路面结构层厚度的影响较大,在行车荷载作用下Ⅰ型裂纹扩展模式起主导作用,增加基层厚度对防止反射裂纹的产生有一定的效果;在考虑水平荷载作用时,Ⅰ型和Ⅱ型应力强度因子均随荷载位置的变化而变化,随着荷载与裂纹距离的不断增加,K_Ⅰ逐渐减小,K_Ⅱ逐渐增加,反射裂缝逐渐偏向Ⅱ型裂纹扩展模式;在不考虑水平作用时,基层反射裂纹以Ⅰ-Ⅱ复合型形式出现,并在应力集中下向面层扩展,扩展模式表现为Ⅰ-Ⅱ复合型.     

不同角度裂纹缺陷对材料动态断裂行为的影响

采用新型数字激光动态焦散线试验系统,对含相互垂直和相互共线两种裂纹缺陷介质在冲击载荷作用下的动态断裂行为进行了研究。结果表明:在动态冲击载荷的作用下,边裂纹缺陷处应力集中程度远大于试件的内部裂纹缺陷处应力集中程度;当裂纹从垂直内部裂纹缺陷的端部再次起裂时,表现为Ⅰ/Ⅱ复合型断裂;起裂后,裂纹的断裂模式很快由Ⅰ/Ⅱ复合型向Ⅰ型转化;而对于内部共线裂纹缺陷而言,裂纹的起裂和扩展始终表现为Ⅰ型断裂形式。当内部裂纹缺陷垂直于边裂纹时,内部垂直裂纹缺陷对边裂纹扩展的裂纹尖端的应力强度因子和裂纹扩展速度均有抑制作用;且当裂纹再次从内部垂直裂纹缺陷处起裂后,裂纹的扩展速度和应力强度因子也较共线裂纹缺陷时的高;裂纹扩展速度与裂纹尖端的动态应力强度因子呈正相关性。     

反平面剪切(Ⅲ型)加载下岩石断裂特征的有限元分析

采用有限元方法分析了在反平面剪切（Ⅲ型）加栽下岩石裂纹尖端的应力场及其尺寸效应，探讨了岩石在Ⅲ型加栽下的起裂角与断裂机理，并与实验结果加以对比．结论表明，在Ⅲ型加栽条件下，岩石不一定产生沿原裂纹面裂纹扩展的Ⅲ型断裂．当试件的最大剪应力与最大拉应力之比τmcr／σ1小于其临界值之比τ1／σ2时，往往产生偏离原裂纹面方向而沿着最大拉应力方向的拉伸（Ⅰ型）断裂，断裂轨迹为一空问螺旋面．为实现Ⅲ型加栽下沿原裂纹面扩展的Ⅲ型断裂，建议采用S／L〉0．8和a/w〈0．2的反平面冲剪试件．     

冷轧材料的各向异性对断裂性能的影响

为研究材料在冷轧过程中产生各向异性现象对断裂性能的影响,本文通过Ⅰ,Ⅱ型复合到纯Ⅱ型加载及有限元计算,研究了冷轧材料的各向异性对裂纹初始扩展规律和断裂性能的影响。结果表明,这种弱各向异性确实会影响材料的断裂形态。在垂直和平行于轧制的方向上,材料具有不同的断裂力学性状,且当K_I/K_I>1时,2种不同取向的试样大致沿τ_(max)方向开裂;当K_I/K_I<1时,裂纹会发生尖锐转折并呈Ⅰ型方式断裂。文中也给出了利用复合加载下的P-CMOD曲线确定裂纹临界开裂点的一种简单实验方法。     

混凝土断裂临界值测试研究

对一种常规混凝土，用相同的单边裂缝方形试件和统一的加载装置，进行了Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型３种单一型和Ⅰ－Ⅱ、Ⅰ－Ⅲ、Ⅱ－Ⅲ、Ⅰ－Ⅱ－Ⅲ４种复合型裂缝失稳扩展时的应力强度因子临界值的测试，得出ＫⅠｃ、ＫⅡｃ、ＫⅢｃ和Ⅰ－Ⅱ、Ⅰ－Ⅲ、Ⅱ－Ⅲ复合型临界断裂曲线和Ⅰ－Ⅱ一Ⅲ复合型临界断裂曲面，从而获得了完整的Ｋ判据临界值体系。     

混凝土Ⅰ—Ⅱ复合型裂纹有效断裂准则

利用单边切口四点剪切梁进行了混凝土Ⅰ－Ⅱ复合型断裂试验研究。根据试验结果采用四分之一点奇异有限元法计算了各试件的应力强度因子ＫⅠ和ＫⅡ；结合本文的试验结果在广泛收集、分析国内外混凝土Ⅰ－Ⅱ复合型断裂试验资料的基础上，建立了混凝土Ⅰ－Ⅱ复合型有效裂纹断裂准则，并与已有断裂准则进行了比较。     

混凝土Ⅰ－Ⅱ复合型裂纹有效断裂准则

利用单边切口四点剪切梁进行了混凝土Ⅰ－Ⅱ复合型断裂试验研究．根据试验结果采用四分之一点奇异有限元法（ｔｈｅｑｕａｒｔｅｒ－ｐｏｉｎｔｓｉｎｇｕｌａｒｅｌｅ－ｍｅｎｔ）计算了各试件的应力强度因子ＫⅠ和ＫⅡ；结合本文的试验结果在广泛收集、分析国内外混凝土Ⅰ－Ⅱ复合型断裂试验资料的基础上，建立了混凝土Ⅰ－Ⅱ复合型有效裂纹断裂准则，并与已有断裂准则进行了比较     

功能梯度材料平面断裂中的一系列偏微分方程边值问题

当弹性模量接任意函数形式连续变化时，将各向同性、正交异性功能梯度材料平面断裂问题的Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅰ＋Ⅱ型裂纹的探讨归结为求解两类（6个）偏微分方程的边值问题。在此基础上进一步考虑当弹性模量按指数函数形式或按幂函数形式连续变化时，相应的Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅰ＋Ⅱ型裂纹的探讨可归结为求解另4类（12个）较为简单的偏微分方程边值问题。