V形切槽巴西圆盘法测定岩石断裂韧度K_(IC)的实验研究

采用国际岩石力学学会岩石断裂韧度建议测试方法(ISRM)[1]提出的V形切槽巴西圆盘试样(CCNBD),测试了一种泥质砂岩的I型断裂韧度值,给出了一套试样切割制备方案,从试验现象角度分析了该泥质砂岩的断裂力学特性,讨论了该试样类型的有效尺寸和断裂机制,并指出了该方法的特点和优劣性,得出如下结论:(1)该类岩石试样测得的I型断裂韧度值对CCNBD试样直径尺寸变化具有较大的敏感性,并且直径大于ISRM建议方法中最小有效直径(75mm)的试样测试结果更为稳定;(2)CCNBD试样断裂机制表现为以拉张应力(间接拉伸)作用为主,兼有一定的韧带面内剪切作用的应力状态下I型裂纹扩展模式;(3)V形切槽巴西圆盘方法具有试样加工工艺简单、能承受较大临界载荷、测试的I型断裂韧度值较稳定等优点,但其没有考虑断裂过程区(FPZ)的非线性问题,建议对该方法进行非线性修正图解方案研究,以达到更准确测定岩石断裂韧度的目的。

用人字形切槽巴西圆盘(CCNBD)确定岩石断裂韧度及其尺度律

国际岩石力学学会(ISRM)于1988年和1995年先后颁布了两种测试岩石断裂韧度的建议方法,其中1995年建议方法推荐的人字形切槽巴西圆盘(CCNBD)尚不够完善。有鉴于此,用两种大理岩制作成CCNBD和ISRM 1988年建议方法推荐的人字形切槽三点弯曲圆棒(CB)试样,分别在MTS810型材料试验机进行试验。结果发现,CCNBD试样测出的断裂韧度值比CB试样测出的断裂韧度值小,而重新标定关于CCNBD计算公式中的关键系数*minY后得出的断裂韧度值有一定改善。此外,基于内聚裂纹模型,对CCNBD试样用于岩石断裂韧度测试的尺寸效应问题进行了初步探讨,提出CCNBD试样的几何形状函数mag,很好地解决了Bazant的尺度律用于CCNBD试样结构的非相似性问题,从而减小了试样尺寸对材料断裂韧度的影响。

岩石断裂韧度CCNSCB方法渐进破坏机制与无量纲应力强度因子宽范围标定

国际岩石力学学会建议了4种岩石I型断裂韧度(K_IC)测试方法。将建议方法的人字形切槽巴西圆盘试样与直切槽半圆盘试样结合,可以得到具有诸多优点的人字形切槽半圆盘(CCNSCB)三点弯曲试样。近年来,CCNSCB方法受到许多关注,然而,其渐进破坏过程却尚未进行有效的评估。为此,对其进行了数值研究,其内容包括:进行细观损伤力学模拟,直观展现CCNSCB试样渐进断裂过程;考虑不同支撑跨距与直径之比(b)的影响,发现b愈大,愈加符合测试原理,建议b取0.8;采用有限元子模型技术对CCNSCB方法(b=0.8)中计算KIC的关键参数-临界无量纲应力强度因子(*Y_min)进行了宽范围标定,可供相关研究直接查取;细观损伤力学模拟峰值力对应的临界裂纹与有限元标定*Y_min对应的临界裂纹较为一致,证明CCNSCB方法测试原理的合理性,以及数值模拟与*Y_min标定结果的有效性。

岩石断裂韧度试样CCNBD临界应力强度因子的全新数值标定

国际岩石力学学会(ISRM)提出的用人字型切槽巴西圆盘(Cracked Chevron Notched Brazilian Disc—CCNBD)测试岩石I型断裂韧度所必需的量纲为一的临界应力强度因子Y*min的精度需要进一步改进。本文对CCNBD试样的Y*min进行了系统的重新标定,CCNBD的几何参数有效范围为0.44≤αB≤1.04、0≤α0≤0.69、0.4≤α1≤0.8。采用有限单元法对CCNBD做三维数值分析,得到了435种CCNBD试样的Y*min值标定结果;在此基础上全面修正了CCNBD试样Y*min计算公式中u和v的取值表;给出了不用查表直接确定CCNBD试样Y*min值的近似表达式,该表达式计算结果与标定结果的相对误差绝对值在1.87%以内。对于ISRM建议的CCNBD标准试样的Y*min值:ISRM标定值0.84比本文结果0.957小12.2%;分片合成法标定值0.947比本文结果小1.0%;子模型法标定值0.943比本文结果小1.5%。本文特别强调了任何CCNBD试样Y*min的取值必须在它对应的上限和下限所限定的范围内,这一要求对判断Y*min标定值是否合理是很重要的。

CCNBD断裂韧度试样的SIF新公式和在尺度律分析中的应用

根据国际岩石力学学会于1995年推荐的一种测试岩石断裂韧度的新型试样-人字形切槽巴西圆盘试样,对其断裂韧度计算公式中的关键参数即无量纲应力强度因子(SIF)提出了一个改进的计算公式。采用分片合成方法结合有限元法对CCNBD试样的应力强度因子进行了宽范围标定,结果以表格的形式给出;并采用数据线性回归的方法,将标定结果以一个指数函数的形式给出。结果表明,与标定值相比,无量纲应力强度因子新公式的误差较小,并且囊括了CCNBD试样的较宽范围的尺寸,且查表使用方便,也为理论分析提供了条件。在此基础上,对岩石断裂韧度测试的尺度律进行了更进一步的探索,结果表明,利用新公式进行的尺度律分析是有效的。

基于P-CCNBD试样的岩石动态断裂韧度测试方法

预裂的人字形切槽巴西圆盘(Pre-cracked chevron notched Brazilian disc,简称P-CCNBD)是将人字形切槽巴西圆盘(cracked chevron notched Brazilian disc,简称CCNBD)的切槽尖端再稍加切削制成直裂纹前沿的试样。利用霍普金森压杆对P-CCNBD砂岩试样进行径向冲击,完成I型动态断裂试验后再做数值分析得到岩石的动态断裂韧度。为了验证数值模拟的可靠性,先进行了无限平面中一条有限尺寸裂纹表面受冲击拉伸作用的动态有限元分析,结果表明,数值模拟的结果与Shi得到的结果非常吻合。将试验-数值法和他人的准静态法分别确定的砂岩的动态起裂韧度进行对比,两种方法得到的结果有一定的差异。采用试验-数值法,将比较成熟的直裂纹巴西圆盘(cracked straight-through Brazilian disc,简称CSTBD)和P-CCNBD两种试样测得的结果进行对比,两者吻合较好。得到的动态起裂韧度都有随着加载率的增加而增大的加载率效应。分析了准静态法的缺陷,认为试验-数值法得到的结果更为合理。

陶瓷材料断裂韧性测试技术在中国的研究进展

本文对近十年来中国学者在陶瓷材料断裂韧性测试技术方面所取得的进展作了简要介绍。

不同缺口类型X100钢管的韧性特征及断裂规律

止裂韧性是管线钢的一项重要性能指标,准确测定钢管的止裂韧性对于保证管线的安全运行具有重要意义。为此,采用不同温度下的落锤撕裂试验(Drop Weight Tear Test,DWTT)研究了人字形和压制V形2种缺口X100钢管的能量特征,从吸收能、断口剪切面积、总吸收能、起裂能和扩展能等方面对其能量进行了表征和分析,同时进行了不同温度下的夏比V形(Charpy V-type Notch,CVN)冲击试验,对比分析了不同缺口类型X100钢管DWTT能量密度与CVN能量密度的变化。结果表明:相对于人字形缺口试样,压制V形缺口试样的总吸收能较高,韧脆转变温度较低,能量密度较高,扩展能与总吸收能之比较低,总吸收能和扩展能对温度较为敏感,起裂能则对温度不敏感;起裂能量密度、扩展能量密度与总能量密度之间,以及起裂能量密度与CVN总能量密度之间具有线性关系;相对于CVN冲击试验,DWTT所得到的韧脆转变温度较高。通过DWTT与CVN的对比分析,推荐采用Battelle能量关系式来建立DWTT与CVN的能量关系。

有限宽切槽对CCNBD断裂试样应力强度因子的影响

国际岩石力学学会(ISRM)在1995年提出一种新型的岩石断裂韧度试样——人字形切槽巴西圆盘试样(cracked chevron notched Brazilian disc——CCNBD),对该试样的一个重要力学参数即最小无量纲应力强度因子的标定,以前的分析和计算都没有考虑切槽宽度的影响。然而试样切槽的宽度受切割刀具厚度所限,不能为零。当试样较小时,切槽宽度则相对较大。通过三维边界元计算分析表明,切槽宽度越大,无量纲应力强度因子的标定值就越大;对于ISRM推荐的CCNBD标准试样,得出其最小无量纲因子值为0.954,这比ISRM给出对应值0.84要大13.6 %。同时,小裂纹应力强度因子曲线的变化趋势也发生了质的变化,这可能会导致实验的失败。推荐最小无量纲应力强度因子的标定采用考虑切槽的三维分析。

用P-CCNBD试样测定岩石动态扩展韧度和观察动态止裂现象

关于动态断裂的全过程,包括动态起裂、扩展和止裂的报道在科学文献中受到日益增长的关注。研究岩石的动态扩展和动态止裂,用分离式霍普金森压杆径向冲击大直径(φ160 mm)的预裂人字形切槽巴西圆盘(pre-cracked chevron notched Brazilian disc——P-CCNBD)试样的试验,测定了大理岩的I型动态扩展韧度,而不仅是动态起裂韧度。确定的方法是试验―数值―解析法,而不是通常的准静态法,因为,大尺寸试样在动态试验中不满足应力平衡条件。裂尖起裂时刻和裂纹扩展速度采用应变片和裂纹扩展计监测;将有关试验数据,包括霍普金森压杆施加在试样上的的动态荷载输入有限元程序,对P-CCNBD进行三维动态数值模拟,再结合普适函数的半解析修正,得到动态应力强度因子的时间历程。结果表明,P-CCNBD大理岩试样的动态起裂韧度随加载率的增大而增大,试样的动态扩展韧度略低于动态起裂韧度,且扩展韧度随裂纹扩展速度的加快而增大。此外,对裂纹扩展速度振荡和扩展路径曲折现象进行了分析,讨论了P-CCNBD试样实现动态止裂的可能性。

岩石三点弯曲圆梁断裂韧度K_(IC)的测试研究

用两种3点弯曲圆梁(分别具有人字形切槽和直切槽)测定了一种重庆灰岩的断裂韧度K。测试结果表明:前者比后者在防止过载,避免裂纹扩展偏斜,考虑非线性修正等方面有若干优点,但测试值的尺寸效应尚有待解决。

二种岩石断裂韧度试样测试的稳定性分析

本文分析了 ISRM 采纳的两种具有人字形切槽的试样在测试过程中裂纹扩展的稳定性问题,计算了它们在不同加载条件和试验机刚度时各自的稳定性因子;指出对岩石等一类脆性材料,加载方式和试验机刚度对测试的稳定性有很大的影响;说明了这两种试样在稳定性方面的差异,并指出它们在稳定性上明显地优于普通直裂纹试样.

神经网络在研究岩石断裂韧度尺寸效应的应用

介绍了人工神经网络在预测人字形切槽巴西圆盘试样(CCNBD)断裂韧度时的应用,通过分析表明,神经网络得到的断裂韧度预测值比CCNBD尺度律公式得到的值更加接近实验值,神经网络直接基于实验数据进行训练,不需要作任何假设,对于构形比较复杂,试样制备时难以满足完全几何相似的CCNBD试样,研究其尺寸效应是比较有利的。

人字形切槽短圆棒断裂韧度试样及其BEM标定

介绍了一种将会得到广泛应用的断裂韧度试样—人字形切槽短圆棒,以及三维边界元法(BEM)的标定结果。

一种人字形切槽三点弯曲圆棒试样的应力强度因子算法

用一种有效的近似方法获得了人字形切槽三点弯曲圆棒试样的应力强度因子(SIF),用最小二乘法拟合了SIF的多项式,并将其用于国际岩石力学学会(ISRM)建议的断裂韧度试样,结果比较满意。

大理岩动态劈裂拉伸断裂的实验研究

利用直径为100mm的Hopkinson压杆和薄圆形铝片作为波形整形器，用不同弹速径向冲击大理岩平台巴西圆盘来研究其动态拉伸强度。考虑了试样的尺寸大小及两个平台附近应力的时间不均匀性与空间不均匀性对实验结果的影响。分析了试样的最大应变率、破坏时间、破坏模式以及破坏过程中的载荷应变关系，得到了关于大理岩在高应变率下拉伸强度及弹性模量的一些结论。进一步又利用该装置径向冲击人字形切槽巴西圆盘试样，对试样的起裂时间进行了初步的研究，以便今后测试动态断裂韧度。

反应烧结Si_3 N_4陶瓷断裂韧性的实验研究

本文对反应烧结氦化硅 Si_3N_4陶瓷的断裂韧性进行实验研究,用三种不同试件进行了测试,这三种试件是:山形切口双悬臂粱试件,山形切口三点弯曲梁试件和直穿透切口三点弯曲梁试件.用有限元方法分析了直穿透切口三点弯曲梁切口宽度对应力强度因子的影响,结合断裂载荷测定值估算了材料的断裂韧性值,指出直切口无预制裂纹试件的测定值必须用有限元法进行修正才能得到正确结果.

循环加载下砂岩断裂特性试验及模拟

利用WHY-200/10微机控制万能试验机,对红砂岩人字形切槽圆盘试样(CCNBD)进行静态与循环加卸载试验,研究在循环加卸载下红砂岩的Ι型断裂力学特性及变形特征;并基于红砂岩的宏观力学参数进行PFC^(3D)数值模拟试验,探究微裂纹扩展规律.试验结果表明:循环荷载的作用会使砂岩的Ι型断裂韧度值K_(ΙC)减小;且随着循环次数的增加,砂岩的Ι型断裂韧度逐渐减小,直至达到某一下限值;砂岩CCNBD循环加载曲线受到其静态加载曲线的严格控制,循环加载破坏点变形量与静载曲线中同荷载水平下峰后变形量相近;循环加载下试样的径向位移变形过程和微裂纹扩展规律与上限荷载比相关,主要有3个阶段:初期加载阶段、中期稳定阶段、后期加速阶段;当上限比为0.95时,试样的径向位移变形过程和微裂纹扩展只有初期和加速阶段;当上限比为0.75时,其位移变形和微裂纹扩展只有初期和稳定阶段,且不发生断裂破坏;循环加载下试样韧带两端断裂过程区(FPZ)的微裂纹发生充分衍生和扩展,最终的微裂纹数目明显多于静态加载.

结构陶瓷断裂韧性的测试技术及其研究进展

本文简要介绍了近年我国结构陶瓷材料常采用的几种断裂韧性测试技术的基本原理、优缺点及研究现状。

脆性材料断裂韧性测定的山形缺口试件和方法

本文扼要地介绍了测定新型结构陶瓷、高强度金属、以及其他脆性材料断裂韧性的山形缺口试件与方法。概述了这个方法的发展史、优缺点、目前研究概况、主要理论分析与实验研究成果,以及存在的问题和发展动向。