含雙空孔缺陷試件三點(diǎn)彎曲沖擊試驗(yàn)

何松林, 范嘉賓, 嚴(yán)振湘, 尹芝足, 肖成龍,4*

(1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院, 北京 100083; 2.中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司, 北京 100040; 3.首鋼礦業(yè)公司, 遷安 064400; 4.北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081)

巖體中存在的大量缺陷使其斷裂性能在動(dòng)態(tài)、靜態(tài)兩種不同載荷下存在明顯的區(qū)別。在礦山現(xiàn)場(chǎng)中,存在大量的動(dòng)態(tài)破壞情況,因此研究缺陷試件的動(dòng)態(tài)斷裂過(guò)程具有重要的意義[1-3]。

Kalthoff等[4]對(duì)焦散線方法在動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用方法進(jìn)行了研究。楊仁樹(shù)等[5-6]、丁晨曦等[7]采用焦散線方法,研究不同角度的分支角裂紋以及不同空孔-裂紋偏置方式的材料在沖擊荷載下的破壞。岳中文等[8]采用動(dòng)態(tài)焦散線實(shí)驗(yàn)方法,對(duì)在沖擊作用下的運(yùn)動(dòng)裂紋與不同預(yù)制缺陷裂紋傾角的作用機(jī)制進(jìn)行了研究,分析了缺陷裂紋角度對(duì)其動(dòng)態(tài)斷裂過(guò)程的影響。駱浩浩等[9]采用霍普金森桿與動(dòng)焦散試驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)含有圓形缺陷的半圓形試件在不同沖擊荷載下的斷裂特征進(jìn)行了研究。Kobayashi等[10]研究獲得了試件在動(dòng)態(tài)剪切破壞過(guò)程中,裂紋擴(kuò)展速度、動(dòng)態(tài)能量釋放率、裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子三者之間的關(guān)系。李清等[11]采用數(shù)字激光動(dòng)態(tài)焦散線試驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)在沖擊載荷作用下,含有相互垂直以及相互共線兩種裂紋缺陷介質(zhì)的動(dòng)態(tài)斷裂行為進(jìn)行了研究,分析了在沖擊荷載下兩種裂紋的斷裂形式。

許多學(xué)者對(duì)空孔缺陷不同偏置距離、空孔缺陷大小等因素進(jìn)行了相應(yīng)的分析,然而上述研究多針對(duì)單缺陷條件下的動(dòng)態(tài)分析,對(duì)于多缺陷條件下的研究存在不足。因此現(xiàn)采用數(shù)字激光動(dòng)態(tài)焦散線系統(tǒng)對(duì)含雙空孔缺陷的有機(jī)玻璃板三點(diǎn)彎曲梁進(jìn)行沖擊斷裂實(shí)驗(yàn),分析研究雙空孔缺陷下裂紋擴(kuò)展的路徑、尖端動(dòng)態(tài)強(qiáng)度因子、擴(kuò)展速度以及焦散斑的變化規(guī)律,為揭示多空孔缺陷材料在沖擊荷載下的斷裂機(jī)理提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)原理

焦散線實(shí)驗(yàn)原理[12-14]為:材料在受到外力的作用下發(fā)生形變,試件的厚度、折射率發(fā)生改變,使得部分入射光在透過(guò)試件時(shí)發(fā)生偏轉(zhuǎn),在光承接平面上產(chǎn)生明顯分界的明暗區(qū)域。通過(guò)測(cè)量運(yùn)動(dòng)裂紋尖端相關(guān)特征的尺寸并將所得數(shù)據(jù)代入式(1)[15],即可得到裂紋尖端的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度因子。

(1)

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 試件參數(shù)

實(shí)驗(yàn)采用200 mm×50 mm×5 mm的PMMA有機(jī)玻璃板二次加工而成,實(shí)驗(yàn)設(shè)置A、B兩組,A組不設(shè)置空孔,作為對(duì)照組。B組設(shè)置雙空孔缺陷如圖1所示,為實(shí)驗(yàn)組。B組試件制作方法為:用激光在有機(jī)玻璃板底部中間預(yù)制一段長(zhǎng)度為5 mm的預(yù)制裂紋,并在試件中部預(yù)制兩個(gè)半徑為5 mm的空孔,空孔沿試件中心對(duì)稱(chēng)布置,P點(diǎn)為落錘沖擊的沖擊點(diǎn)。試件的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)[10]見(jiàn)表1。

表1 PMMA動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)表Table 1 Dynamic mechanical parameters of PMMA

圖1 試件模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the specimen model

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)采用數(shù)字激光高速攝影系統(tǒng)和落錘加載平臺(tái)[16-17],激光器為固體綠色激光發(fā)生器,最大功率200 mW,實(shí)驗(yàn)時(shí)功率設(shè)置為50 mW。實(shí)驗(yàn)將激光發(fā)生器的綠色激光通過(guò)擴(kuò)束鏡后形成發(fā)散光束,使實(shí)驗(yàn)平面處于該平行光場(chǎng)之中,通過(guò)電腦控制高速攝影機(jī)拍攝,拍攝速度1×105幀/s,每10 μs記錄下一張焦散線照片,并將有效實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在電腦中。加載設(shè)備為落錘加載平臺(tái),通過(guò)落錘的自由下落對(duì)試件進(jìn)行動(dòng)態(tài)沖擊加載,落錘質(zhì)量1.5 kg,下落高度0.5 m。每次下落高度相同,保證每次加載的沖擊速度,沖擊荷載相同。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試件斷裂和焦散斑變化分析

兩組實(shí)驗(yàn)試件受到?jīng)_擊荷載后,實(shí)驗(yàn)試件中的焦散斑以及裂紋擴(kuò)展情況如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)焦散斑圖像Fig.2 Experimental dynamic focal speckle image

從圖2中可以看到,當(dāng)落錘與試件頂部接觸時(shí),試件上部與落錘接觸位置出現(xiàn)一塊亮斑,說(shuō)明此刻開(kāi)始受到落錘的沖擊加載,并將此時(shí)刻記為零。此時(shí),試件底部預(yù)制裂縫頂端開(kāi)始出現(xiàn)圓形的暗斑,即為焦散斑。隨著應(yīng)力波在試件中的不斷反射疊加,焦散斑逐漸擴(kuò)大,達(dá)到試件的起裂韌度后,預(yù)制裂縫起裂,并向沖擊接觸點(diǎn)處延伸擴(kuò)展。A組貫通裂紋稱(chēng)為A裂紋,B組貫通裂紋稱(chēng)為B裂紋。因試件較薄,可忽略其平面擾動(dòng)因素,可以看到,A裂紋近似直線,B裂紋在預(yù)制空孔區(qū)域發(fā)生局部彎曲,說(shuō)明空孔缺陷對(duì)裂紋有明顯影響。起裂點(diǎn)與貫通點(diǎn)未發(fā)生明顯錯(cuò)位。

對(duì)比圖2(a)以及圖2(b)可以看到,B組試件起裂時(shí)間明顯晚于A組,說(shuō)明試件內(nèi)部的預(yù)制空孔缺陷會(huì)對(duì)應(yīng)力波的傳播造成影響,使得預(yù)制裂縫尖端能量積累速度減慢,起裂時(shí)間延后。B組實(shí)驗(yàn)中,由于空孔缺陷分布以及預(yù)制裂紋并不是絕對(duì)對(duì)稱(chēng),使得裂紋擴(kuò)展軌跡發(fā)生隨機(jī)偏向。裂紋起裂之后,微微向左偏移并向頂部擴(kuò)展,t=273.47 μs時(shí),在裂紋運(yùn)動(dòng)至靠近預(yù)制空孔缺陷周?chē)年幱安糠謺r(shí),裂紋尖端焦散斑與兩空孔接近的部分出現(xiàn)亮斑,同時(shí)空孔周?chē)幱靶螤畎l(fā)生改變,接近焦散斑的陰影部分向中部凹陷,向著兩旁堆積,說(shuō)明此時(shí)裂紋尖端集中的應(yīng)力對(duì)空孔周邊的應(yīng)力分布造成了影響。t=286.81 μs時(shí),裂紋進(jìn)一步運(yùn)動(dòng),由于裂紋運(yùn)動(dòng)軌跡偏左,進(jìn)而裂紋尖端焦散斑開(kāi)始與左空孔陰影部分融合,左空孔與焦散斑靠近部位的陰影區(qū)域面積變大。t=300.15 μs時(shí),焦散斑基本保持Ⅰ形但直徑減小,而遠(yuǎn)離焦散斑區(qū)域的陰影區(qū)域未發(fā)生明顯變化。裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展,裂紋尖端焦散斑開(kāi)始變大,左空孔周?chē)幱懊娣e逐漸減小,t=320.16 μs時(shí),裂紋尖端焦散斑即將脫離左空孔陰影區(qū)域時(shí),空孔周?chē)年幱皡^(qū)域可以看到明顯的朝向裂紋尖端焦散斑的能量釋放,焦散斑的面積增大。同時(shí),右側(cè)的預(yù)制空孔缺陷對(duì)裂紋尖端焦散斑有一個(gè)明顯的吸引作用,裂紋尖端焦散斑向著右側(cè)空孔有輕微凸起變形,尖端焦散斑運(yùn)動(dòng)朝向指向右上方,裂紋軌跡向右有些許偏移,隨后焦散斑脫離預(yù)制空孔區(qū)域,裂紋貫穿試件。這種情況的出現(xiàn)說(shuō)明空孔缺陷對(duì)周?chē)鸭y的運(yùn)動(dòng)有一定的影響,會(huì)造成裂紋擴(kuò)展路徑的變化,使得局部路徑朝著空孔方向偏移。

3.2 裂紋擴(kuò)展速度變化規(guī)律

圖3為兩組實(shí)驗(yàn)試件在受到?jīng)_擊荷載后,裂紋擴(kuò)展速度的時(shí)程曲線?？梢钥闯?雙空孔對(duì)裂紋擴(kuò)展速度以及擴(kuò)展時(shí)間有明顯的影響。A組試件在t=120.06 μs時(shí)起裂,t=306.82 μs時(shí)裂紋貫通試件,貫通時(shí)間為186.76 μs。B組試件在t=240.12 μs 時(shí)起裂,t=373.52 μs時(shí)裂紋貫通試件,貫通時(shí)間為133.4 μs。B組試件起裂時(shí)間晚于A組試件120.06 μs,但貫通時(shí)間早于A組55.36 μs,說(shuō)明預(yù)制空孔缺陷會(huì)導(dǎo)致起裂時(shí)間延后,但會(huì)使得貫通時(shí)間縮短。

圖3 試件裂紋擴(kuò)展速度-時(shí)間曲線Fig.3 Crack propagation velocity-time curve of specimen

起裂后,兩組試件裂紋擴(kuò)展速度存在明顯差異。A組試件起裂后,速度上升至299.5 m/s,隨后在速度維持在249.6～399.4 m/s的范圍內(nèi)波動(dòng)變化,在達(dá)到峰值速度399.4 m/s后,隨著裂紋的擴(kuò)展,去速度逐漸波動(dòng)降低,直至裂紋貫通試件。B組試件起裂之后,速度呈上升趨勢(shì),快速升高,沒(méi)有發(fā)生波動(dòng),在裂紋靠近預(yù)制空形缺陷區(qū)域時(shí),裂紋速度達(dá)到峰值速度499.3 m/s。而在第一次達(dá)到峰值后,裂紋速度隨即開(kāi)始急速衰減,在裂紋達(dá)到預(yù)制空形缺陷中心區(qū)域時(shí)速度衰減至249.5 m/s,為峰值速度的一半。隨后,速度再次攀升,在脫離預(yù)制空形缺陷區(qū)域時(shí),再次達(dá)到峰值速度,隨即速度再次降低,直至裂紋貫通試件。發(fā)生這種現(xiàn)象的原因?yàn)?空孔邊緣處的應(yīng)力反射波抑制了裂紋的擴(kuò)展速度,隨著裂紋與預(yù)制空孔缺陷距離的縮短,這種抑制程度愈加強(qiáng)烈,使得速度開(kāi)始衰減。而隨著裂紋與空孔缺陷距離的增加,反射波的抑制力減弱,速度開(kāi)始攀升,又回到峰值。

3.3 動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子分析

圖4為A組試件裂紋擴(kuò)展過(guò)程的應(yīng)力強(qiáng)度因子隨時(shí)間變化規(guī)律圖。在落錘加載沖頭與試件接觸后,沖擊荷載以應(yīng)力波動(dòng)場(chǎng)的方式進(jìn)行加載,預(yù)制裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子不斷提高,在尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到起裂前的最大值0.996 MN/m3/2時(shí),試件起裂,在應(yīng)力波動(dòng)場(chǎng)的持續(xù)作用下,應(yīng)力強(qiáng)度因子臺(tái)階上升至1.113 MN/m3/2,并隨后在試件邊緣反射應(yīng)力波的疊加作用下,應(yīng)力強(qiáng)度因子在 0.996～1.113 MN/m3/2內(nèi)波動(dòng)保持一段時(shí)間,之后隨著裂紋的貫通應(yīng)力強(qiáng)度因子逐漸降低。

圖4 試件動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子-時(shí)間曲線Fig.4 Dynamic stress intensity factor-time curve of specimen

B組試件應(yīng)力強(qiáng)度因子整體呈增大后減小,再增大再減小,再增大再減小的變化情況。說(shuō)明路徑上的預(yù)制空孔缺陷對(duì)其應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化產(chǎn)生了很大影響。試件起裂前應(yīng)力強(qiáng)度因子在應(yīng)力波動(dòng)場(chǎng)的作用下臺(tái)階上升至0.996 MN/m3/2并保持一段時(shí)間后,在空孔缺陷處反射的壓縮應(yīng)力波的作用下降低至0.785 MN/m3/2,隨著壓縮應(yīng)力波被抵消,應(yīng)力強(qiáng)度因子再次呈臺(tái)階式上升,并在t=240.12 μs 時(shí)達(dá)到1.238 MN/m3/2,隨即裂紋起裂。起裂后,應(yīng)力強(qiáng)度因子仍呈上升趨勢(shì)。由于裂紋起裂晚,能量蓄積時(shí)間長(zhǎng),t=273.47 μs時(shí),在裂紋靠近預(yù)制空孔缺陷的過(guò)程中,應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到極大值1.662 MN/m3/2。隨著裂紋逐漸到達(dá)預(yù)制空孔中部區(qū)域,在空孔缺陷邊緣反射的壓縮應(yīng)力波的作用下,應(yīng)力強(qiáng)度因子再次降低,由于距離較近,降低速度較上次顯著增加,t=300.15 μs時(shí),裂紋尖端達(dá)到預(yù)制空孔缺陷區(qū)域中部,應(yīng)力強(qiáng)度因子降低至極小值0.382 MN/m3/2,之后裂紋逐漸遠(yuǎn)離預(yù)制空孔缺陷中部區(qū)域,在空孔缺陷邊緣反射波的作用下,t=340.17 μs時(shí),應(yīng)力強(qiáng)度因子攀升至峰值1.821 MN/m3/2。受試件邊緣反射應(yīng)力波的影響,隨著裂紋尖端靠近試件邊緣,尖端的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子呈現(xiàn)出波動(dòng)減小的狀態(tài),直至裂紋貫穿試件。

3.4 數(shù)值模擬驗(yàn)證

采用ABAQUS數(shù)值模擬軟件,對(duì)含雙空孔缺陷試件三點(diǎn)彎沖擊試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬。數(shù)值模擬模型尺寸與圖2試件尺寸一致,材料參數(shù)如表1所示。數(shù)值模擬模型如圖5所示,von Mises應(yīng)力云圖如圖6所示,其中,a為裂縫長(zhǎng)度與試件高度(50 mm)之比。

圖5 數(shù)值模擬模型Fig.5 Numerical simulation model

圖6 von Mises應(yīng)力云圖Fig.6 Von Mises stress nephogram

在沖擊試驗(yàn)中,由于試件放置時(shí)人為存在的誤差,導(dǎo)致落錘加載時(shí)加載點(diǎn)的偏移,故裂紋在起裂后并不是沿直線向上運(yùn)動(dòng),所以裂紋在圓孔附近發(fā)生偏移。在數(shù)值模擬中,并不存在加載點(diǎn)偏移的情況,故裂紋擴(kuò)展如圖6所示呈直線向上傳播?？梢钥闯?裂紋在靠近空孔缺陷時(shí),尖端應(yīng)力區(qū)域明顯縮小,此時(shí)裂紋尖端應(yīng)力受到抑制而減小。隨著裂紋繼續(xù)向上延伸,在通過(guò)空孔缺陷后,此時(shí)裂隙尖端受到來(lái)自空孔缺陷上表面的反射波,裂紋尖端應(yīng)力區(qū)域重新擴(kuò)大,與試驗(yàn)結(jié)果一致。

4 結(jié)論

(1)空孔缺陷會(huì)吸引附近運(yùn)動(dòng)裂紋,使運(yùn)動(dòng)裂紋的軌跡在空孔缺陷附近呈現(xiàn)發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)。

(2)空孔缺陷使得起裂難度加大,含雙空孔缺陷的試件起裂時(shí)應(yīng)力強(qiáng)度因子為1.238 MN/m3/2,相較于無(wú)缺陷試件起裂時(shí)的應(yīng)力強(qiáng)度因子 0.996 MN/m3/2,提高了24.29%。

(3)當(dāng)裂紋靠近空孔缺陷時(shí),缺陷對(duì)裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子有抑制作用,強(qiáng)度因子從 1.662 MN/m3/2降低至0.382 MN/m3/2,降低76.7%。當(dāng)裂紋穿過(guò)缺陷區(qū)域,遠(yuǎn)離空孔缺陷時(shí),缺陷對(duì)裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子有促進(jìn)作用,強(qiáng)度因子從0.382 MN/m3/2升高至1.821 MN/m3/2,升高79%,應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到峰值。