通俗易懂讲述裂纹的分类及其受力

结构和材料中的裂纹具有一种随机性，就是不确定性。比方由于夹杂，可能会根据杂质的形状而定；这种裂纹可能发生在材料内部，也可能发生在材料表面，对于一些薄板，更有可能裂纹从板的一面开到板的另一面，成为穿透的裂纹...太复杂了！为了便于分析，我们先把裂纹分成深埋裂纹、表面裂纹和穿透裂纹，这3个概念完全可以凭借我们的生活常识确定，这就是按裂纹的一种几何分类方法，这个不需要图我们也可以很好的理解。我们可以先拿出穿透性裂纹来，再加上它将要承受的载荷，来考察一下它所受到的力。在图1中的裂纹属于穿透性裂纹，从板的左边到板的右边，但是它所受的力又可以有很多种。图1裂纹分类I-II-III比方说第一种：图中两个箭头上下那样用力，像是要把裂纹硬掰开，我们两个人分苹果的时候，先用刀切一个口子，然后用手用力的掰很像这种受力状况，苹果中间的缝会越来越大，直到裂纹贯穿整个苹果，我们就可以吃了，我们暂时把它叫为张开型裂纹。第二种形式我们想象有两块大石头用胶水粘在一起，这胶水的地方就是裂纹面，然后有一个大力士可以用内力将其推开，相当于两块石头发生了相对滑动，我们将这种裂纹命名为滑开型。其实我觉得这种情况在双层复合材料中出现的多，但是这里我们要重点理解在这个过程中，我们的力是怎么加的，裂纹是怎么扩展的，将其抽象化会接受的更好！再来看第三种，这种我们几乎天天会有这种经验，我们拆方便面调料包的时候，从锯齿口用力一撕，调料包就开了，其实方便面的包装袋正是利用了断裂力学的知识。由于方便面包装袋是撕开的，我们就把它叫作撕开型裂纹。现在我们要给出一点具有学术气味的定义，把张开型裂纹叫作I型裂纹，滑开型裂纹叫作II型裂纹，而撕开型裂纹叫作III型裂纹。现在，如果你用I，II，III型去与别人讨论裂纹类型，就从通俗命名过度到了学术命名。但是一定要对应好，如果混了就还不如采用通俗性定义，所以一定要精准的记下！我们再来审视一下，裂纹的分类：前面我们的表面裂纹、深埋裂纹、穿透裂纹，是从裂纹发生的位置、几何形状上定义的，而I型，II型，III型是着重从受力特征上定义的。首先这两种定义是从不同的角度对裂纹的分类；其次，如果说它们有什么联系的话，就是I，II，III型裂纹都是对穿透型裂纹而言的；再次，I型裂纹是正应力破坏，II型，III型裂纹是剪应力破坏，但是III型裂纹的剪应力和II型裂纹剪应力方向不同，II型裂纹平行于裂纹扩展方向，III型裂纹则垂直于裂纹扩展方向。最后，如果让你感受一下同样条件下哪种裂纹的破坏性最强，你的体会是什么呢？在工程实际中，多以I型裂纹破坏，所以在断裂力学的讨论中I型裂纹所占比例非常大。但是，我们也需要指出，在工程实际中，结构的受力方式是非常复杂的，我们很难说就是单一的裂纹形式，可能形成2种，或是3种裂纹的组合形式，称为复合型裂纹。为了理解这个问题，我们还需要对图1进行修改，以获得另外一种理解，以方便将来识别复合型裂纹。图2从应力角度看I，II，III型裂纹受力图2给出了从应力角度的I，II，III裂纹的受力特点，将来我们要分析复合裂纹也需要从其裂纹受力的应力角度来考虑。复合裂纹的情况太多了，我们这里只举1个例子。如图3所示的受力图，如果我们将裂纹周围的应力分布画出来，就是右边的图，这里很明显，我们可以把它看成是I型裂纹和II型裂纹的混合型裂纹。这里给出的是最简单的复合型裂纹的例子，在实际中比我们给出的复杂的多。不过，再复杂的受力，我们总可以分解到垂直于裂纹面，2个方向平面于裂纹面，如果可以分解，我