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(yàn)為該領(lǐng)域經(jīng)典試驗(yàn),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(duì)于SCB內(nèi)裂紋擴(kuò)展規(guī)律研究較少�；�3D-ILC （三維激光疲勞內(nèi)裂紋）技術(shù),分析了表面無(wú)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(duì)含內(nèi)裂紋試樣進(jìn)行SCB試驗(yàn),分析了裂紋生長(zhǎng)過(guò)程、應(yīng)力雙折射規(guī)律、Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型裂紋擴(kuò)展面、破壞形態(tài)、宏微觀斷口特征,開(kāi)展數(shù)值模擬,得到裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子分布規(guī)律及擴(kuò)展路徑,與物理試驗(yàn)一致。結(jié)果表明:（1）基于3D-ILC的SCB內(nèi)裂紋及Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型擴(kuò)展斷裂規(guī)律明顯,3D-ILC為斷裂力學(xué)中的內(nèi)裂紋問(wèn)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(kuò)展,分為光滑區(qū)和撕裂區(qū),持續(xù)生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)斷裂進(jìn)而破壞,動(dòng)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(duì)試樣進(jìn)行了數(shù)值模擬,得到了試樣內(nèi)裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子分... 

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

【文章頁(yè)數(shù)】：13 頁(yè)

【部分圖文】：

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

116巖土力學(xué)2020年下，裂紋偏離原來(lái)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(guò)程中，形成包裹狀翼型裂紋形態(tài)。具體公式推導(dǎo)可參見(jiàn)已有文獻(xiàn)[10]，此處不再列出。而在本試驗(yàn)中，裂紋擴(kuò)展面明顯偏離原裂紋平面一定角度，且裂紋擴(kuò)展呈現(xiàn)一直處于修正狀態(tài)的曲面，即在I-II型場(chǎng)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(xiàn)[20-21]翼裂紋對(duì)比（將本試驗(yàn)翼裂紋旋轉(zhuǎn)一定角度以增加對(duì)比的直觀性）。(a)本試驗(yàn)翼裂紋(b)文獻(xiàn)[20]翼裂紋(c)文獻(xiàn)[21]翼裂紋圖9包裹狀裂紋對(duì)比圖Fig.9Wingcracks4.2撕裂區(qū)與III型裂紋撕裂區(qū)位于擴(kuò)展面的側(cè)面，隨著翼型裂紋擴(kuò)展到一定程度后出現(xiàn)。通過(guò)觀察可知，此區(qū)域擴(kuò)展面呈現(xiàn)明顯的矛狀形態(tài)，國(guó)內(nèi)也有研究者描述為針刺狀，擴(kuò)展面實(shí)際為凹凸不平的臺(tái)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(shí)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(shí)，由圖9可知，III型裂紋的參與作用并未改變裂紋整體擴(kuò)展方向，只改變了裂紋擴(kuò)展面表面的形態(tài)。圖10為已有文獻(xiàn)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(yàn)圖，發(fā)表于《自然》（Nature）主刊[22]。除了裂紋擴(kuò)展過(guò)程中觀察到形態(tài)，后文斷口分析中也可以觀測(cè)到宏觀的矛狀凹凸斷面；同時(shí)，通過(guò)第5部分?jǐn)?shù)值分析，撕裂區(qū)KIII分布水平較高，進(jìn)

ń滓簿拖蟣?此彎曲，這個(gè)過(guò)程就決定了本試驗(yàn)斷口中矛狀花樣的外形。5.2.2動(dòng)態(tài)斷裂斷口及裂紋分叉當(dāng)一個(gè)非平衡力作用在一個(gè)含裂紋體內(nèi)部的任意一個(gè)體積單元上，這個(gè)體積單元將被加速，相應(yīng)的就獲得了動(dòng)能，此時(shí)，忽略動(dòng)能的靜態(tài)理論將不再適用，裂紋系統(tǒng)就變成了動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。通常認(rèn)為，動(dòng)態(tài)斷裂是由于裂紋擴(kuò)展速度增加到一定程度或者由于外荷載動(dòng)態(tài)變化（如沖擊）引起。本文試驗(yàn)出現(xiàn)了動(dòng)態(tài)斷裂，屬于前者。從斷口上來(lái)講，在翼型裂紋擴(kuò)展區(qū)周圍，出現(xiàn)了霧化區(qū)和羽毛區(qū)等動(dòng)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(yàn)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(kuò)展由緩慢到快速過(guò)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(shí)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(gè)裂紋尖端發(fā)展，而是出現(xiàn)一分為二或多個(gè)裂紋尖端，繼續(xù)擴(kuò)展，是裂紋快速擴(kuò)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(dòng)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(kuò)展的方向和尋找裂紋源，裂紋分叉記錄了動(dòng)能耗散的不同階段。目前，動(dòng)態(tài)斷口的形成機(jī)制及理論仍在發(fā)展之中，本文基于裂紋尖端場(chǎng)畸變理論[24]給出解釋。當(dāng)?shù)酌媪鸭y所受應(yīng)力達(dá)到一臨界點(diǎn)時(shí)，K超過(guò)Kc時(shí)（K為應(yīng)力強(qiáng)度因子；Kc為臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子），裂紋開(kāi)始擴(kuò)展。圖16給出了一些選定的相對(duì)裂紋擴(kuò)展速率下動(dòng)態(tài)裂紋尖端應(yīng)力分量計(jì)算結(jié)果。圖16隨角度函數(shù)f

【參考文獻(xiàn)】：
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