用光塑性方法研究Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹尖塑性区

　　1　引言

　　裂纹尖塑性区的研究是弹塑性断裂力学中一个重要的研究课题。对这一课题的理论研究和数值计算往往受到小范围屈服和小应变等条件的限制,而小范围屈服和小应变条件,是对高韧性材料裂纹尖附近情况的过分简化。大范围屈服比较接近高韧性材料裂纹尖附近的实际情况,但由于其复杂性和难度,研究成果不多。文献[1]讨论了韧性材料Ⅰ-Ⅱ复合型断裂时裂纹尖塑性区的大小及形状,但这一讨论不是该文的主题。

　　由于光塑性实验技术观察全场性、精度高和不受小变形条件限制等特点,其应用越来越广[2～6],文献[7]对Ⅰ型平面应力裂纹进行了光塑性试验研究。而对Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹大范围屈服条件下塑性区的光塑性研究,未见文献报道。

　　2　实验设计

　　2.1　试样材料与尺寸

　　试样材料是国产聚碳酸酯板材,这是一种性能良好的光塑性模型材料。根据这种材料的应力应变曲线,在研究塑性大变形问题时,把局部变形开始扩展为大变形的瞬间的最大应力视为屈服应力,其数值为σs=64.39 MPa,相应的屈服应变为Es=5.92×10^-2,其弹性应力条纹值为fσ=6.86 N/(mm·条)(钠光光源K=589.3 nm)。

　　采用中心斜裂纹拉伸板试样(图1)。试样尺寸见表1。

　　2.2　试验过程

　　试验在KCⅡ-6型同步坐标偏光仪上进行。该仪器上的偏光系统可以在水平和垂直两个方向移动。经改装后移动距离测量精度为0.01 mm,能满足测量精度要求。偏光系统上的观察镜可以观察和测量裂纹尖的塑性区尺寸。

　　由于试样较薄,在试验过程中有可能发生翘曲,这种翘曲会在裂纹尖产生附加的撕裂型应力强度因子K_Ⅲ。因此,特制做有机玻璃夹具,夹在试样面上,保证不发生翘曲。

　　试验采用单调递增加载,载荷自零开始,逐渐递增。载荷水平用应力比σm/σs来表示,σs为材料屈服强度,σm为试样按无裂纹情况时计算的平均应力。在各载荷水平下测出塑性区的长度rp(见图2和图3)。

　　2.3　试验方案

　　为便于研究和叙述,参照C.F.Shih的作法[8],定义裂纹复合型参数Me

　　对纯Ⅰ型裂纹Me=1,对纯Ⅱ型裂纹Me=0,一般情形0

　　采用无限大板中心斜裂纹受单向均匀拉伸应力R作用时应力强度因子[9]

式中σ——均匀拉伸应力

　　α——裂纹面与R方向的夹角,单位为弧度将式(2)代入式(1)得

　　实验按如下三种方案进行。¹研究复合型参数Me对rp的影响。改变裂纹面与R方向的夹角A,而保持裂纹长度2a0和试样其他尺寸不变。对三种典型的情况,