含不同張開角度裂紋結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)斷裂試驗(yàn)研究

梁欣桐, 肖成龍, 范嘉賓, 郭 嘯, 陳 文, 丁晨曦

(1. 北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院,北京 100083;2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京 100083;3. 中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司,北京 100040; 4. 北京科技大學(xué) 數(shù)理學(xué)院,北京 100083)

目前,爆破手段廣泛應(yīng)用于地下采礦、巷道掘進(jìn)、隧道開挖等地下工程中,工程結(jié)構(gòu)的研究對(duì)地下工程活動(dòng)至關(guān)重要。工程結(jié)構(gòu)中常常會(huì)出現(xiàn)裂紋、層理、孔隙等多種缺陷,其中缺陷的類別、位置、角度等多種因素都會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的斷裂特性、強(qiáng)度等物理性能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。在地下工程的地質(zhì)條件中,裂隙對(duì)巖體爆破效果的影響非常顯著[1],尤其是對(duì)爆炸能量分布和巖體的破壞形式影響最為明顯。由于巖體的各向異性、難以觀測(cè)等特點(diǎn),對(duì)含有裂隙缺陷結(jié)構(gòu)的斷裂行為進(jìn)行研究一直是斷裂力學(xué)[2-3]、巖石力學(xué)[4-5]等重要學(xué)科領(lǐng)域的重點(diǎn)方向,因此多年來(lái)許多科研人員都就此展開了深入的研究。

在缺陷結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域眾多學(xué)者采用不同的試驗(yàn)方法進(jìn)行了研究。楊仁樹等[6-7]不僅研究分析了裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)爆破動(dòng)態(tài)斷裂效應(yīng)的影響,還研究了不同空孔直徑情況下爆生裂紋擴(kuò)展及裂紋尖端處動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化規(guī)律。郭東明等[8]采用爆炸加載透射式動(dòng)焦散試驗(yàn)方法研究分析了爆炸動(dòng)荷載對(duì)不同位置處缺陷的影響。岳中文等[9-10]對(duì)比分析了不同裝藥方式下切縫藥包的沖擊動(dòng)力學(xué)行為和爆生裂紋的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為,還采用新型數(shù)字激光動(dòng)態(tài)焦散線試驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)缺陷介質(zhì)雙孔定向斷裂控制爆破裂紋擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行了研究。郭東明等[11-12]進(jìn)行了動(dòng)靜荷載下巷道圍巖傾斜裂紋的動(dòng)焦散試驗(yàn),研究了動(dòng)態(tài)強(qiáng)度因子和能量釋放率之間的關(guān)系,除此之外,通過(guò)對(duì)含有單裂紋對(duì)PMMA(polymethyl methacrylate)試件進(jìn)行爆破試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)預(yù)制裂紋的擴(kuò)展位移、試件損傷度以及試驗(yàn)圍壓之間存在密切聯(lián)系。沈世偉等[13]研究雙孔同時(shí)起爆條件下3條平行預(yù)制裂紋的擴(kuò)展行為及裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化規(guī)律,分析了預(yù)制裂紋間距對(duì)其擴(kuò)展行為及斷裂破壞的影響規(guī)律。

楊仁樹等[14-15]除了研究預(yù)裂爆破形成的預(yù)裂縫對(duì)爆生裂紋和原生裂紋動(dòng)態(tài)斷裂特性的影響之外,還對(duì)中間起爆柱狀藥包爆炸應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)演化規(guī)律和爆生裂紋尖端局部應(yīng)力場(chǎng)的演化規(guī)律進(jìn)行了研究。劉康等[16]研究了圍巖中原有裂紋的擴(kuò)展貫穿機(jī)理,發(fā)現(xiàn)主裂紋與原有裂紋的貫穿微觀上表現(xiàn)為裂紋間形成帶狀拉應(yīng)力集中區(qū),該區(qū)域微裂紋被激活、連通形成損傷演化帶,最后爆生主裂紋沿?fù)p傷演化帶與原有裂紋貫穿。蘇洪等[17]基于焦散線系統(tǒng)和有限元數(shù)值模擬方法探究了預(yù)裂縫寬度對(duì)爆生、原生裂紋擴(kuò)展的影響。丁晨曦等[18]通過(guò)爆破模型試驗(yàn)研究了切縫藥包爆破定向裂紋與張開節(jié)理的相互作用過(guò)程,發(fā)現(xiàn)張開節(jié)理的幾何特征對(duì)翼裂紋起裂時(shí)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子有顯著影響。李清等[19]對(duì)含偏置裂紋的試件進(jìn)行落錘試驗(yàn),結(jié)果表明:隨著預(yù)制裂紋偏置距離的增大,剪應(yīng)力在裂紋尖端的作用增強(qiáng),裂紋逐漸由Ⅰ型向Ⅰ-Ⅱ復(fù)合型裂紋轉(zhuǎn)變。康一強(qiáng)等[20]基于分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)裝置,分析了在動(dòng)荷載下含不同角度和長(zhǎng)度節(jié)理的水泥砂漿試件基于能量理論的損傷規(guī)律。許鵬等[21]采用焦散線方法研究垂直層理介質(zhì)在切縫藥包單孔/雙孔爆破下爆生裂紋的擴(kuò)展規(guī)律。

科研工作者們針對(duì)空孔缺陷、不同缺陷位置對(duì)結(jié)構(gòu)物理性能的影響展開了研究并收獲了豐富的科研成果。但工程結(jié)構(gòu)中除了空孔和直線型裂紋缺陷外,還廣泛存在張開型裂紋,且張開型裂紋的開口夾角對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響也不可忽視,而目前對(duì)其的研究還非常少。因此,本文將采用數(shù)字激光動(dòng)態(tài)焦散線試驗(yàn)系統(tǒng)和落錘沖擊加載試驗(yàn)平臺(tái),基于動(dòng)態(tài)焦散線方法對(duì)含不同切縫角度預(yù)制裂紋的試驗(yàn)試件進(jìn)行動(dòng)態(tài)斷裂試驗(yàn)研究。

1 動(dòng)態(tài)焦散線試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原理

本試驗(yàn)采用一種光測(cè)力學(xué)試驗(yàn)方法——?jiǎng)討B(tài)焦散線方法[22]。裂紋起裂、擴(kuò)展過(guò)程中會(huì)在裂紋尖端附近產(chǎn)生應(yīng)力集中以及應(yīng)力變化,而動(dòng)態(tài)焦散線方法非常適用于裂紋尖端應(yīng)力奇異性問(wèn)題。

試驗(yàn)試件在落錘沖擊加載的作用下,裂紋尖端處產(chǎn)生應(yīng)力集中,并且由于裂紋尖端所在區(qū)域的試件厚度發(fā)生了變化,導(dǎo)致試件該區(qū)域的折射率也發(fā)生變化,這使平行投射光束在經(jīng)過(guò)試件時(shí)光路產(chǎn)生了變化。在光線相對(duì)集中的區(qū)域光線增強(qiáng),光線相對(duì)稀疏的陰影區(qū)域光線減弱,最終在距離試件z0的參考平面上可以觀察到一個(gè)暗斑——焦散斑,而暗斑的界線是一條很分明的亮線——焦散線[23]。

在焦散線試驗(yàn)的計(jì)算中,裂紋尖端的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子KI[24]可用以下公式求得

式中:deff為試件厚度,本試驗(yàn)中試件厚度deff=5 mm;z0為試件至參考平面距離,本次試驗(yàn)z0=0.9 m;c為材料的光學(xué)常數(shù),本試驗(yàn)中c=1.08×10-10m2/N;F(v)為動(dòng)荷載下裂紋擴(kuò)展速度調(diào)節(jié)因子(即動(dòng)載作用下的修正系數(shù)),取1;g為應(yīng)力強(qiáng)度因子數(shù)值系數(shù),本試驗(yàn)中取3.02。

因而通過(guò)測(cè)量不同時(shí)刻焦散圖中焦散斑的最大直徑Dmax即可確定對(duì)應(yīng)時(shí)刻的裂紋尖端動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子KI。

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)和方法

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示,將試驗(yàn)設(shè)備放置在同一水平面上,從左到右分別是激光器、擴(kuò)束鏡、場(chǎng)鏡Ⅰ、落錘加載平臺(tái)、場(chǎng)鏡Ⅱ、高速攝影儀,調(diào)節(jié)高度至確保光束能覆蓋整個(gè)試件,攝影儀能拍攝到完整試件。試驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示,本試驗(yàn)采用的是數(shù)字激光高速攝影系統(tǒng)和落錘加載試驗(yàn)平臺(tái)。試驗(yàn)采用Fastcam-SA5(16G)高速攝影機(jī),用配備的PFV軟件來(lái)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。本試驗(yàn)選用LWGL300-1 500 MW 型綠光激光光源,拍攝頻率取100 000 fps,即每隔10.00 μs 拍攝一張焦散線圖(圖片尺寸:256 px×168 px)。

圖1 透射式焦散線試驗(yàn)光路系統(tǒng)Fig.1 Schematic diagram of transmission caustic test system

圖2 落錘加載平臺(tái)Fig.2 Drop-hammer impact testing platform

本試驗(yàn)采用動(dòng)態(tài)焦散線方法,將具有不同角度預(yù)制裂縫的試件放置在兩個(gè)場(chǎng)鏡之間的平行光場(chǎng)中,用高速攝影機(jī)記錄下落錘沖擊作用下的焦散圖,從而觀察裂紋在不同角度預(yù)制裂縫試件中的動(dòng)態(tài)發(fā)展情況。

2 動(dòng)焦散線試驗(yàn)過(guò)程

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為模擬研究爆破中巖石的動(dòng)態(tài)斷裂情況,本次試驗(yàn)選擇具有與巖石斷裂特性相近的有機(jī)玻璃[25]作為試驗(yàn)材料。

目前大量研究表明,裂紋大小、裂紋角度、荷載類型還有加載率等因素都會(huì)影響裂紋的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為[26-27],考慮裂紋角度對(duì)裂紋擴(kuò)展行為的影響,以裂紋張開角度為單一變量,制作具有相同開口方向和不同開口角度的裂紋組合試件。在試驗(yàn)試件中心預(yù)制了不同張開角度的裂縫(長(zhǎng)度為20 mm),并在試件底邊中間預(yù)制一個(gè)長(zhǎng)5 mm裂紋的垂直裂紋。

試件模型示意圖,如圖3所示。將試件正確放置在落錘加載試驗(yàn)平臺(tái)的固定位置上,隨后擰緊平臺(tái)固定螺絲至試件無(wú)法移動(dòng),再將落錘加載平臺(tái)放在兩個(gè)場(chǎng)鏡的中間。試件的幾何尺寸為 220 mm×50 mm×5 mm(長(zhǎng)×寬×厚)試件中心預(yù)制裂紋的開口角度(取較小的角)為α,見圖3。通過(guò)改變開口夾角α,共設(shè)計(jì)5組試驗(yàn)方案(其中對(duì)照組無(wú)中心預(yù)制裂紋),中心預(yù)制裂紋靠口角度分別為60°,90°,120°,180°。每組方案制作3塊試件,一共15個(gè)試件。

圖3 試件模型示意圖Fig.3 Sketch map of the specimen

2.2 試驗(yàn)操作

本試驗(yàn)采取三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方法,使落錘自由下落沖擊有機(jī)玻璃試件上邊界中心。本試驗(yàn)中落錘的質(zhì)量為1.25 kg,下落高度由前期試驗(yàn)選擇最為合適的的值即0.5 m?？刂泼看卧囼?yàn)中落錘對(duì)試件的沖擊荷載一致。

試驗(yàn)具體操作如下:首先在釋放落錘的同一時(shí)間開始高速攝影機(jī)的錄像,然后在試件裂紋擴(kuò)展過(guò)程中保持設(shè)備靜止不動(dòng),直至試件完全斷裂后結(jié)束錄像。完成上述3步后,便完成了高速攝影機(jī)動(dòng)態(tài)焦散線圖像的全過(guò)程記錄。每組不同張開角度預(yù)制裂紋試件各有3個(gè),共計(jì)5組,即15個(gè),因此共計(jì)做15組試驗(yàn)。

在試驗(yàn)中,嚴(yán)格控制落錘的錘頭位置,保證每一次的釋放位置相同以及其下落后擊落在有機(jī)玻璃板頂部的幾何中心處。

3 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1 試件斷裂形態(tài)

每組試件的裂紋擴(kuò)展軌跡基本相同,說(shuō)明該試驗(yàn)符合穩(wěn)定性和可靠性的要求。在每組方案的3個(gè)試件中隨機(jī)抽取一個(gè)試件的裂紋擴(kuò)展情況,拍照記錄如圖4所示。由圖4可知,5組方案雖然預(yù)制裂紋角度不同導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展軌跡不同,但都是從底部的預(yù)制裂紋尖端起裂,并在起裂后迅速朝著加載方向發(fā)展,遇到試件中部的預(yù)制裂紋后,從裂紋其中一端繼續(xù)向加載方向發(fā)展,直到最終斷裂于預(yù)制裂紋極端上方附近。隨著角度的增大,經(jīng)過(guò)預(yù)制裂紋后的發(fā)展軌跡就越偏離原發(fā)展軌跡,但基本都是先平行于原軌跡后逐漸向加載點(diǎn)靠近。

圖4 裂紋擴(kuò)展軌跡Fig.4 Crack propagation path

3.2 動(dòng)態(tài)焦散斑圖

本試驗(yàn)記錄了不含預(yù)制裂紋試件以及含不同開口角度預(yù)制裂紋試件的裂紋起裂、裂紋擴(kuò)展到裂紋發(fā)展貫穿整個(gè)試件的動(dòng)態(tài)焦散斑圖像,圖5(a)～圖5(e)分別為從5組試驗(yàn)方案中各隨機(jī)抽取的一個(gè)試件的關(guān)鍵焦散斑圖像。

圖5 動(dòng)態(tài)焦散斑圖像Fig.5 Dynamic caustic spots of specimens

由圖5可知,無(wú)論是否有預(yù)制裂縫以及預(yù)制裂紋的開口角度大小,試驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程中,焦散斑的形狀始終對(duì)稱,且焦散斑形態(tài)接近Ⅰ型焦散斑,即主要受張拉裂紋,說(shuō)明裂紋的整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程主要是受張拉應(yīng)力。

沒有預(yù)制裂紋和不同預(yù)制裂紋的試件在起裂的表現(xiàn)幾乎相同,焦散斑的大小反映了裂紋尖端的應(yīng)力集中程度。觀察發(fā)現(xiàn)由于裂紋的起裂需要積蓄一定的能量,因此焦散斑都是先逐漸增大至一定程度時(shí)才發(fā)生起裂。在裂紋動(dòng)態(tài)發(fā)展的全過(guò)程中,焦散斑的直徑隨著應(yīng)力波的反復(fù)震蕩而呈現(xiàn)出波動(dòng)變化的情況。焦散斑直徑先波動(dòng)增大,在起裂時(shí)開始波動(dòng)減小,擴(kuò)展階段又恢復(fù)波動(dòng)增大。在遇到預(yù)制裂紋時(shí)先是瞬間減小融入裂紋中,后從裂紋尖端處出現(xiàn)并震蕩增大至一定值時(shí)從尖端處起裂并繼續(xù)擴(kuò)展,最終消失在落錘沖擊點(diǎn)附近,完成裂紋擴(kuò)展全過(guò)程。

由于每組方案3個(gè)試件的裂紋擴(kuò)展軌跡相同,因此,統(tǒng)一記錄每組第一個(gè)試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。以裂紋尖端開始出現(xiàn)焦散斑的時(shí)刻為零點(diǎn)(即記為t=0),裂紋起裂的時(shí)間t1、裂紋裂紋貫穿整個(gè)試件的時(shí)間t2、運(yùn)動(dòng)裂紋接觸到預(yù)制裂紋的時(shí)間t3、運(yùn)動(dòng)裂紋從預(yù)制裂紋尖端重新起裂的時(shí)間t4。計(jì)算多個(gè)斷裂過(guò)程的關(guān)鍵時(shí)間繪,如表1所示。

表1 斷裂過(guò)程時(shí)間表Tab.1 The time history of fracture

試驗(yàn)的單一變量為張開型裂紋的張開角度,所以試件斷裂過(guò)程時(shí)間表反映了由于張開型裂紋張開角度的變化對(duì)裂紋起裂和擴(kuò)展帶來(lái)的影響。

t1反映的是能量積累過(guò)程。由表1可知,裂紋起裂時(shí)長(zhǎng)在α=90°兩側(cè)表現(xiàn)出不同的規(guī)律。當(dāng)α≤90°時(shí),隨著α的增大裂紋起裂所需要的時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng),起裂越來(lái)越難,在90°時(shí)起裂時(shí)長(zhǎng)最長(zhǎng)達(dá)到400 μs,當(dāng)α>90°后,起裂所時(shí)間幾乎不變,但總體來(lái)說(shuō)α的大小對(duì)起裂時(shí)間影響不大。

t2-t1計(jì)算的是裂紋擴(kuò)展時(shí)長(zhǎng)。從表1中發(fā)現(xiàn),裂紋擴(kuò)展時(shí)長(zhǎng)隨著張開型裂紋張開角度α的增大而增大。由于試驗(yàn)過(guò)程條件都是一致的,故認(rèn)為落錘對(duì)試件做的功是相同的,而裂紋擴(kuò)展過(guò)程就是能量釋放的過(guò)程,即,所以α越大,能量釋放越平緩。且通過(guò)與對(duì)照組對(duì)比發(fā)現(xiàn),由于預(yù)制裂紋對(duì)應(yīng)力波起到反射和部分截?cái)嗟淖饔?導(dǎo)致含預(yù)制裂紋后的裂紋擴(kuò)展時(shí)間變長(zhǎng),且隨著裂紋夾角的增大,裂紋等效水平長(zhǎng)度增大,對(duì)應(yīng)力波的阻擋作用也增大,故預(yù)制裂縫夾角越大裂紋貫穿時(shí)間時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng),能量釋放的速度越慢。

t3-t1反映的是裂紋從起裂后到達(dá)預(yù)制裂紋夾角尖端的時(shí)間,由于預(yù)制裂紋的夾角尖端都是在試件的中心即同一位置,由此可知裂紋在和預(yù)制裂紋相遇前的擴(kuò)展速度是不受影響的,不同試件都耗費(fèi)了相同的時(shí)間到達(dá)相遇點(diǎn)。

t2-t3反映的是裂紋在遇到預(yù)制裂紋后到貫穿整個(gè)試件的總時(shí)長(zhǎng),而(t2-t1)-(t4-t3)反映的是裂紋在無(wú)預(yù)制裂紋部分的擴(kuò)展時(shí)長(zhǎng)。從表1可以發(fā)現(xiàn),這兩段裂紋擴(kuò)展時(shí)長(zhǎng)均隨著α的增大而增大,說(shuō)明α越大,裂紋擴(kuò)展所受到的滯留影響越大。

對(duì)照組和試驗(yàn)組試件的裂紋擴(kuò)展速度時(shí)間曲線如圖6所示。由圖6可知,裂紋擴(kuò)展的速度峰值隨著預(yù)制裂紋的開口角度的增大而減小,隨著預(yù)制裂紋開口夾角的增大裂紋擴(kuò)展的速度峰值呈明顯減小的趨勢(shì)。這是由于隨著預(yù)制裂紋夾角增大,同時(shí)意味著預(yù)制裂紋與爆生裂紋擴(kuò)展方向夾角增大,使裂紋所受剪切應(yīng)力增大,對(duì)速度增大抑制也增大。在試驗(yàn)中設(shè)置的最小開口角度α=60°時(shí),裂紋擴(kuò)展的速度峰值最大vmax=1 032 m/s,在試驗(yàn)中設(shè)置的最大開口角度α=180°時(shí),裂紋擴(kuò)展的速度峰值最大只有vmax=311 m/s。并發(fā)現(xiàn)預(yù)制裂紋的開口角度α=180°時(shí),裂紋擴(kuò)展的速度峰值vmax=311 m/s幾乎和對(duì)照組的裂紋擴(kuò)展的速度峰值vmax=314 m/s相同。

圖6 試件裂紋擴(kuò)展速度-時(shí)間曲線Fig.6 Curve of v-t for specimens

如圖6所示,在不同開口角度的預(yù)制裂縫干預(yù)下裂紋擴(kuò)展速度隨時(shí)間的變化關(guān)系有所不同。主要可以分為6個(gè)階段:起裂前的積蓄能量階段,裂紋擴(kuò)展速度在v=0附近波動(dòng);起裂階段,起裂后裂紋擴(kuò)展速度迅速增大;裂紋擴(kuò)展階段I,裂紋擴(kuò)展速度較快,裂紋擴(kuò)展速度穩(wěn)定在某一區(qū)間上下微小波動(dòng);與預(yù)制裂紋相互作用階段,速度大幅變化,由于預(yù)制裂紋端部朝上與爆生裂紋擴(kuò)展方向一致,且預(yù)制裂紋內(nèi)無(wú)介質(zhì)所以在融入預(yù)制裂紋后,重新從預(yù)制裂紋尖端積蓄能量時(shí)爆生裂紋擴(kuò)展速度達(dá)到峰值,其中預(yù)制裂紋開口角度α=60°,α=90°,α=120°的試件在裂紋擴(kuò)展到預(yù)制裂紋處時(shí)由于預(yù)制裂紋對(duì)應(yīng)力波的反射作用,爆生裂紋先小幅減速融入,在連通預(yù)制裂紋底部尖端后迅速擴(kuò)展到裂紋尖端處,此時(shí)速度達(dá)到峰值,因此速度先減小后大幅突增,而預(yù)制裂紋開口角度α=180°的試件,由于從相遇點(diǎn)到預(yù)制裂紋尖端在豎直方向上的距離變化很小,且預(yù)制裂紋與擴(kuò)展方向相垂直,使裂紋擴(kuò)展從拉伸應(yīng)力變成拉伸剪切復(fù)合受力狀態(tài),所以在減速融入后并沒有大幅增速,而只是微幅增大至峰值vmax=311 m/s;重新起裂與擴(kuò)展階段,裂紋在預(yù)制裂紋尖端以較緩慢的速度重新積蓄能量起裂,起裂后裂紋擴(kuò)展速度逐漸增大,然后再次穩(wěn)速擴(kuò)展直至到達(dá)試件邊界附近;貫穿試件階段,到達(dá)邊界附近后速度再次快速降低,隨后緩慢突破邊界,直至裂紋完全貫穿速度降至v=0,至此完成裂紋擴(kuò)展的全過(guò)程。

以本試驗(yàn)中含90°預(yù)制裂紋的試件其速度變化規(guī)律為例,當(dāng)t=400 μs 時(shí),裂紋從底部開始起裂,擴(kuò)展速度達(dá)到了v=248.09 m/s,隨后50 μs里裂紋擴(kuò)展速度在250 m/s附近上下波動(dòng);在t=440 μs到達(dá)預(yù)制裂紋附近時(shí)開始減速,直到沿預(yù)制裂紋發(fā)展在t=480 μs時(shí)到其尖端,此時(shí)裂紋擴(kuò)展速度達(dá)到峰值vmax=806.19 m/s;之后在預(yù)制裂紋尖端以非常緩慢的速度重新起裂,速度與一開始從試件底部起裂時(shí)變化相似,重新起裂后速度再次回到250 m/s附近上下波動(dòng),裂紋平穩(wěn)擴(kuò)展;在到達(dá)試件邊界附近時(shí),速度再次迅速降低,直至完全貫穿試件。

3.4 裂紋尖端動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子變化規(guī)律

如圖7所示,在不同開口角度的預(yù)制裂縫干預(yù)下裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子隨時(shí)間的變化關(guān)系有所不同,而相較于沒有預(yù)制裂紋的對(duì)照組來(lái)說(shuō),有預(yù)制裂紋的4組試驗(yàn)方案其裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子隨時(shí)間的變化趨勢(shì)有一定的相似性。主要可以分為6個(gè)階段:起裂前的積蓄能量階段,KI隨時(shí)間不斷增大,在起裂前一瞬間到達(dá)能量峰值即應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到第一個(gè)極大值點(diǎn);起裂階段,在起裂的時(shí)刻引起了裂紋尖端能量的瞬間釋放,使KI快速到達(dá)極小值點(diǎn);遇到預(yù)制裂縫前的裂紋擴(kuò)展階段,KI跟第一階段的變化相似呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì),但增長(zhǎng)速度更快,并在遇到預(yù)制裂紋時(shí)達(dá)到第二個(gè)極大值點(diǎn);與預(yù)制裂紋相互作用階段,由于裂紋尖端應(yīng)力集中狀態(tài)從拉伸應(yīng)力切換到剪切拉伸應(yīng)力復(fù)合狀態(tài),KI在遇到預(yù)制裂紋后由于裂紋尖端能量瞬間大量釋放而瞬間減少至第二個(gè)極小值,與此同時(shí)裂紋擴(kuò)展速度大幅增大至峰值,說(shuō)明說(shuō)明了爆生裂紋經(jīng)過(guò)無(wú)介質(zhì)填充的預(yù)制裂紋時(shí)擴(kuò)展速度加快,但卻損失大量能量;重新起裂并持續(xù)擴(kuò)展階段,KI隨時(shí)間不斷增大,在預(yù)制裂紋尖端積蓄能量重新起裂并持續(xù)積蓄能量直至到達(dá)試件邊界前達(dá)到第三個(gè)極值點(diǎn);到達(dá)試件邊界釋放能量階段,裂紋發(fā)展到試件邊界后開始釋放能量,KI快速震蕩釋放能量直至裂紋貫穿整個(gè)試件時(shí)完全釋放至零點(diǎn)。

圖7 KI曲線Fig.7 Curves of KI

以本試驗(yàn)中含90°預(yù)制裂紋的試件其動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子變化規(guī)律為例,裂紋從底部起裂前,裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子隨時(shí)間波動(dòng)增加,當(dāng)t=380 μs 時(shí),應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到第一個(gè)極大值1.28 MN/m3/2時(shí),裂紋從底部開始起裂,能量快速釋放,在t=400 μs 時(shí),裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到第一個(gè)極小值1.06 MN/m3/2;經(jīng)過(guò)約50 μs 短暫穩(wěn)定擴(kuò)展后,在t=450 μs與預(yù)制裂紋相遇前一瞬,能量達(dá)到峰值1.45 MN/m3/2;與預(yù)制裂紋相遇后能量被快速釋放,KI快速減小至最小值0.35 MN/m3/2;然后在預(yù)制裂紋尖端處重新積蓄能量重新起裂,在t=540 μs時(shí)KI已快速波動(dòng)增加至1.08 MN/m3/2;裂紋重新起裂后穩(wěn)定持續(xù)擴(kuò)展,直至t=580 μs時(shí)裂紋到達(dá)試件邊界附近,KI達(dá)到第三個(gè)極大值;隨后能量快速波動(dòng)釋放,直至裂紋貫穿整個(gè)試件,能量完全釋放KI降至零點(diǎn)。

由此可見,試件的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子變化規(guī)律與裂紋擴(kuò)展最大速度和預(yù)制裂紋角度關(guān)系相一致。

4 結(jié) 論

通過(guò)以張開角度為單一變量,對(duì)含不同張開角度預(yù)制裂紋的試件進(jìn)行了三點(diǎn)彎試驗(yàn),在對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中焦散圖分析的基礎(chǔ)上,研究了運(yùn)動(dòng)裂紋與不同張開角度預(yù)制裂紋相互作用的規(guī)律,研究發(fā)現(xiàn),不同開口角度的預(yù)制裂紋都對(duì)裂紋的擴(kuò)展路徑、擴(kuò)展速度、應(yīng)力強(qiáng)度因子產(chǎn)生了顯著影響,得出以下結(jié)論:

(1) 不同張開角度的裂紋缺陷不會(huì)影響裂紋的起裂,對(duì)照組和試驗(yàn)組的裂紋均從底部預(yù)制裂紋處起裂,隨后向落錘點(diǎn)方向擴(kuò)展。但裂紋的擴(kuò)展軌跡會(huì)受試件中心的預(yù)制裂紋影響。無(wú)預(yù)制缺陷的裂紋擴(kuò)展軌跡從試件底部預(yù)制裂紋處開裂基本沿垂直方向擴(kuò)展直至到達(dá)落錘點(diǎn)附近貫穿整個(gè)試件。含張開型裂紋缺陷的試件起裂后,裂紋運(yùn)動(dòng)至張開型裂紋,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的能量積累,隨后在張開型裂紋的任一尖端重新起裂,再次起裂后裂紋依然向落錘點(diǎn)方向擴(kuò)展,上述規(guī)律不受裂紋缺陷的角度影響。

(2) 張開型預(yù)制裂紋會(huì)增加運(yùn)動(dòng)裂紋的擴(kuò)展時(shí)長(zhǎng),而且預(yù)制裂紋的開口角度越大,運(yùn)動(dòng)裂紋貫穿試件的總時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng),這是由于遇到預(yù)制裂紋后都會(huì)發(fā)生一段停滯的時(shí)間,而開口角度越大對(duì)裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生的滯留影響越大。

(3) 不同開口角度的預(yù)制裂紋都使裂紋擴(kuò)展速度產(chǎn)生了較大的波動(dòng),而沒有預(yù)制裂紋的試件起裂之后其裂紋擴(kuò)展速度一直在一個(gè)穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)小幅波動(dòng)。運(yùn)動(dòng)裂紋與不同開口角度預(yù)制裂紋相遇后到重新起裂階段,都會(huì)先減速后增速到達(dá)峰值,不同的是當(dāng)α=60°,α=90°,α=120°時(shí),峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于裂紋平均擴(kuò)展速度,而當(dāng)α=180°時(shí)峰值幾乎與其平均擴(kuò)展速度相同。而且試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)預(yù)制裂紋開口角度越大,裂紋擴(kuò)展速度峰值越小,且α=180°時(shí)的峰值與無(wú)預(yù)制裂縫試件的峰值非常接近。

(4) 數(shù)據(jù)分析表明,預(yù)制裂紋開口角度不同的試件其應(yīng)力強(qiáng)度因子變化規(guī)律相同。運(yùn)動(dòng)裂紋再次從預(yù)制裂紋尖端處起裂時(shí)裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子迅速大幅增加后又迅速減小直至試件完全斷裂,裂紋迅速積蓄能量后離開預(yù)制裂紋再迅速釋放貫穿整個(gè)試件。