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、隧道開挖等地下工程中,工程結(jié)構(gòu)的研究對地下工程活動至關(guān)重要。工程結(jié)構(gòu)中常常會出現(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對結(jié)構(gòu)的斷裂特性、強度等物理性能產(chǎn)生嚴重的影響。在地下工程的地質(zhì)條件中,裂隙對巖體爆破效果的影響非常顯著[1],尤其是對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、難以觀測等特點,對含有裂隙缺陷結(jié)構(gòu)的斷裂行為進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)域的重點方向,因此多年來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)者采用不同的試驗方法進行了研究。楊仁樹等[6-7]不僅研究分析了裝藥結(jié)構(gòu)對爆破動態(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展及裂紋尖端處動態(tài)應(yīng)力強度因子的變化規(guī)律。郭東明等[8]采用爆炸加載透射式動焦散試驗方法研究分析了爆炸動荷載對不同位置處缺陷的影響。岳中文等[9-10]對比分析了不同裝藥方式下切縫藥包的沖擊動力學(xué)行為和爆生裂紋的動態(tài)力學(xué)行為,還采用新型數(shù)字激光動態(tài)焦散線試驗系統(tǒng),對缺陷介質(zhì)雙孔定向斷裂控制爆破裂紋擴展的動態(tài)行為進行了研究。郭東明等[11-12]進行了動靜荷載下巷道圍巖傾斜裂紋的動焦散試驗,研究了動態(tài)強度因子和能量釋放率之間的關(guān)系,除此之外,通過對含有單裂紋對PMMA(polymethyl methacrylate)試件進行爆破試驗發(fā)現(xiàn)預(yù)制裂紋的擴展位移、試件損傷度以及試驗圍壓之間存在密切聯(lián)系。沈世偉等[13]研究雙孔同時起爆條件下3條平行預(yù)制裂紋的擴展行為及裂紋尖端應(yīng)力強度因子的變化規(guī)律,分析了預(yù)制裂紋間距對其擴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)裂縫對爆生裂紋和原生裂紋動態(tài)斷裂特性的影響之外,還對中間起爆柱狀藥包爆炸應(yīng)力應(yīng)變場演化規(guī)律和爆生裂紋尖端局部應(yīng)力場的演化規(guī)律進行了研究。劉康等[16]研究了圍巖中原有裂紋的擴展貫穿機理,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,最后爆生主裂紋沿損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)裂縫寬度對爆生、原生裂紋擴展的影響。丁晨曦等[18]通過爆破模型試驗研究了切縫藥包爆破定向裂紋與張開節(jié)理的相互作用過程,發(fā)現(xiàn)張開節(jié)理的幾何特征對翼裂紋起裂時的動態(tài)應(yīng)力強度因子有顯著影響。李清等[19]對含偏置裂紋的試件進行落錘試驗,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,裂紋逐漸由Ⅰ型向Ⅰ-Ⅱ復(fù)合型裂紋轉(zhuǎn)變?？狄粡姷萚20]基于分離式霍普金森壓桿試驗裝置,分析了在動荷載下含不同角度和長度節(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展規(guī)律。

科研工作者們針對空孔缺陷、不同缺陷位置對結(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結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響也不可忽視,而目前對其的研究還非常少。因此,本文將采用數(shù)字激光動態(tài)焦散線試驗系統(tǒng)和落錘沖擊加載試驗平臺,基于動態(tài)焦散線方法對含不同切縫角度預(yù)制裂紋的試驗試件進行動態(tài)斷裂試驗研究。

1 動態(tài)焦散線試驗

1.1 試驗原理

本試驗采用一種光測力學(xué)試驗方法——動態(tài)焦散線方法[22]。裂紋起裂、擴展過程中會在裂紋尖端附近產(chǎn)生應(yīng)力集中以及應(yīng)力變化,而動態(tài)焦散線方法非常適用于裂紋尖端應(yīng)力奇異性問題。

試驗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)過試件時光路產(chǎn)生了變化。在光線相對集中的區(qū)域光線增強,光線相對稀疏的陰影區(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]。

在焦散線試驗的計算中,裂紋尖端的動態(tài)應(yīng)力強度因子KI[24]可用以下公式求得

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

因而通過測量不同時刻焦散圖中焦散斑的最大直徑Dmax即可確定對應(yīng)時刻的裂紋尖端動態(tài)應(yīng)力強度因子KI。

1.2 試驗系統(tǒng)和方法

試驗系統(tǒng)如圖1所示,將試驗設(shè)備放置在同一水平面上,從左到右分別是激光器、擴束鏡、場鏡Ⅰ、落錘加載平臺、場鏡Ⅱ、高速攝影儀,調(diào)節(jié)高度至確保光束能覆蓋整個試件,攝影儀能拍攝到完整試件。試驗平臺如圖2所示,本試驗采用的是數(shù)字激光高速攝影系統(tǒng)和落錘加載試驗平臺。試驗采用Fastcam-SA5(16G)高速攝影機,用配備的PFV軟件來采集試驗數(shù)據(jù)。本試驗選用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 透射式焦散線試驗光路系統(tǒng)Fig.1 Schematic diagram of transmission caustic test system

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

本試驗采用動態(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場鏡之間的平行光場中,用高速攝影機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)制裂縫試件中的動態(tài)發(fā)展情況。

2 動焦散線試驗過程

2.1 試驗設(shè)計

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

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影響裂紋的動態(tài)力學(xué)行為[26-27],考慮裂紋角度對裂紋擴展行為的影響,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。在試驗試件中心預(yù)制了不同張開角度的裂縫(長度為20 mm),并在試件底邊中間預(yù)制一個長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平臺的固定位置上,隨后擰緊平臺固定螺絲至試件無法移動,再將落錘加載平臺放在兩個場鏡的中間。試件的幾何尺寸為 220 mm×50 mm×5 mm(長×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。通過改變開口夾角α,共設(shè)計5組試驗方案(其中對照組無中心預(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個試件。

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

2.2 試驗操作

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

試驗具體操作如下:首先在釋放落錘的同一時間開始高速攝影機的錄像,然后在試件裂紋擴展過程中保持設(shè)備靜止不動,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動態(tài)焦散線圖像的全過程記錄。每組不同張開角度預(yù)制裂紋試件各有3個,共計5組,即15個,因此共計做15組試驗。

在試驗中,嚴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玻璃板頂部的幾何中心處。

3 試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1 試件斷裂形態(tài)

每組試件的裂紋擴展軌跡基本相同,說明該試驗符合穩(wěn)定性和可靠性的要求。在每組方案的3個試件中隨機抽取一個試件的裂紋擴展情況,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靠近。

圖4 裂紋擴展軌跡Fig.4 Crack propagation path

3.2 動態(tài)焦散斑圖

本試驗記錄了不含預(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、裂紋擴展到裂紋發(fā)展貫穿整個試件的動態(tài)焦散斑圖像,圖5(a)～圖5(e)分別為從5組試驗方案中各隨機抽取的一個試件的關(guān)鍵焦散斑圖像。

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

由圖5可知,無論是否有預(yù)制裂縫以及預(yù)制裂紋的開口角度大小,試驗的整個過程中,焦散斑的形狀始終對稱,且焦散斑形態(tài)接近Ⅰ型焦散斑,即主要受張拉裂紋,說明裂紋的整個動態(tài)過程主要是受張拉應(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才發(fā)生起裂。在裂紋動態(tài)發(fā)展的全過程中,焦散斑的直徑隨著應(yīng)力波的反復(fù)震蕩而呈現(xiàn)出波動變化的情況。焦散斑直徑先波動增大,在起裂時開始波動減小,擴展階段又恢復(fù)波動增大。在遇到預(yù)制裂紋時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從尖端處起裂并繼續(xù)擴展,最終消失在落錘沖擊點附近,完成裂紋擴展全過程。

由于每組方案3個試件的裂紋擴展軌跡相同,因此,統(tǒng)一記錄每組第一個試件的試驗數(shù)據(jù)。以裂紋尖端開始出現(xiàn)焦散斑的時刻為零點(即記為t=0),裂紋起裂的時間t1、裂紋裂紋貫穿整個試件的時間t2、運動裂紋接觸到預(yù)制裂紋的時間t3、運動裂紋從預(yù)制裂紋尖端重新起裂的時間t4。計算多個斷裂過程的關(guān)鍵時間繪,如表1所示。

表1 斷裂過程時間表Tab.1 The time history of fracture

試驗的單一變量為張開型裂紋的張開角度,所以試件斷裂過程時間表反映了由于張開型裂紋張開角度的變化對裂紋起裂和擴展帶來的影響。

t1反映的是能量積累過程。由表1可知,裂紋起裂時長在α=90°兩側(cè)表現(xiàn)出不同的規(guī)律。當α≤90°時,隨著α的增大裂紋起裂所需要的時間越來越長,起裂越來越難,在90°時起裂時長最長達到400 μs,當α>90°后,起裂所時間幾乎不變,但總體來說α的大小對起裂時間影響不大。

t2-t1計算的是裂紋擴展時長。從表1中發(fā)現(xiàn),裂紋擴展時長隨著張開型裂紋張開角度α的增大而增大。由于試驗過程條件都是一致的,故認為落錘對試件做的功是相同的,而裂紋擴展過程就是能量釋放的過程,即,所以α越大,能量釋放越平緩。且通過與對照組對比發(fā)現(xiàn),由于預(yù)制裂紋對應(yīng)力波起到反射和部分截斷的作用,導(dǎo)致含預(yù)制裂紋后的裂紋擴展時間變長,且隨著裂紋夾角的增大,裂紋等效水平長度增大,對應(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間時長越長,能量釋放的速度越慢。

t3-t1反映的是裂紋從起裂后到達預(yù)制裂紋夾角尖端的時間,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)制裂紋相遇前的擴展速度是不受影響的,不同試件都耗費了相同的時間到達相遇點。

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

對照組和試驗組試件的裂紋擴展速度時間曲線如圖6所示。由圖6可知,裂紋擴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展的速度峰值呈明顯減小的趨勢。這是由于隨著預(yù)制裂紋夾角增大,同時意味著預(yù)制裂紋與爆生裂紋擴展方向夾角增大,使裂紋所受剪切應(yīng)力增大,對速度增大抑制也增大。在試驗中設(shè)置的最小開口角度α=60°時,裂紋擴展的速度峰值最大vmax=1 032 m/s,在試驗中設(shè)置的最大開口角度α=180°時,裂紋擴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,裂紋擴展的速度峰值vmax=311 m/s幾乎和對照組的裂紋擴展的速度峰值vmax=314 m/s相同。

圖6 試件裂紋擴展速度-時間曲線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)下裂紋擴展速度隨時間的變化關(guān)系有所不同。主要可以分為6個階段:起裂前的積蓄能量階段,裂紋擴展速度在v=0附近波動;起裂階段,起裂后裂紋擴展速度迅速增大;裂紋擴展階段I,裂紋擴展速度較快,裂紋擴展速度穩(wěn)定在某一區(qū)間上下微小波動;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展方向一致,且預(yù)制裂紋內(nèi)無介質(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爆生裂紋擴展速度達到峰值,其中預(yù)制裂紋開口角度α=60°,α=90°,α=120°的試件在裂紋擴展到預(yù)制裂紋處時由于預(yù)制裂紋對應(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展到裂紋尖端處,此時速度達到峰值,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)制裂紋與擴展方向相垂直,使裂紋擴展從拉伸應(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,起裂后裂紋擴展速度逐漸增大,然后再次穩(wěn)速擴展直至到達試件邊界附近;貫穿試件階段,到達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,至此完成裂紋擴展的全過程。

以本試驗中含90°預(yù)制裂紋的試件其速度變化規(guī)律為例,當t=400 μs 時,裂紋從底部開始起裂,擴展速度達到了v=248.09 m/s,隨后50 μs里裂紋擴展速度在250 m/s附近上下波動;在t=440 μs到達預(yù)制裂紋附近時開始減速,直到沿預(yù)制裂紋發(fā)展在t=480 μs時到其尖端,此時裂紋擴展速度達到峰值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變化相似,重新起裂后速度再次回到250 m/s附近上下波動,裂紋平穩(wěn)擴展;在到達試件邊界附近時,速度再次迅速降低,直至完全貫穿試件。

3.4 裂紋尖端動態(tài)應(yīng)力強度因子變化規(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)力強度因子隨時間的變化關(guān)系有所不同,而相較于沒有預(yù)制裂紋的對照組來說,有預(yù)制裂紋的4組試驗方案其裂紋尖端應(yīng)力強度因子隨時間的變化趨勢有一定的相似性。主要可以分為6個階段:起裂前的積蓄能量階段,KI隨時間不斷增大,在起裂前一瞬間到達能量峰值即應(yīng)力強度因子達到第一個極大值點;起裂階段,在起裂的時刻引起了裂紋尖端能量的瞬間釋放,使KI快速到達極小值點;遇到預(yù)制裂縫前的裂紋擴展階段,KI跟第一階段的變化相似呈現(xiàn)不斷增大的趨勢,但增長速度更快,并在遇到預(yù)制裂紋時達到第二個極大值點;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極小值,與此同時裂紋擴展速度大幅增大至峰值,說明說明了爆生裂紋經(jīng)過無介質(zhì)填充的預(yù)制裂紋時擴展速度加快,但卻損失大量能量;重新起裂并持續(xù)擴展階段,KI隨時間不斷增大,在預(yù)制裂紋尖端積蓄能量重新起裂并持續(xù)積蓄能量直至到達試件邊界前達到第三個極值點;到達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試件時完全釋放至零點。

圖7 KI曲線Fig.7 Curves of KI

以本試驗中含90°預(yù)制裂紋的試件其動態(tài)應(yīng)力強度因子變化規(guī)律為例,裂紋從底部起裂前,裂紋的應(yīng)力強度因子隨時間波動增加,當t=380 μs 時,應(yīng)力強度因子達到第一個極大值1.28 MN/m3/2時,裂紋從底部開始起裂,能量快速釋放,在t=400 μs 時,裂紋的應(yīng)力強度因子達到第一個極小值1.06 MN/m3/2;經(jīng)過約50 μs 短暫穩(wěn)定擴展后,在t=450 μs與預(yù)制裂紋相遇前一瞬,能量達到峰值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KI已快速波動增加至1.08 MN/m3/2;裂紋重新起裂后穩(wěn)定持續(xù)擴展,直至t=580 μs時裂紋到達試件邊界附近,KI達到第三個極大值;隨后能量快速波動釋放,直至裂紋貫穿整個試件,能量完全釋放KI降至零點。

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

4 結(jié) 論

通過以張開角度為單一變量,對含不同張開角度預(yù)制裂紋的試件進行了三點彎試驗,在對試驗過程中焦散圖分析的基礎(chǔ)上,研究了運動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)制裂紋都對裂紋的擴展路徑、擴展速度、應(yīng)力強度因子產(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影響裂紋的起裂,對照組和試驗組的裂紋均從底部預(yù)制裂紋處起裂,隨后向落錘點方向擴展。但裂紋的擴展軌跡會受試件中心的預(yù)制裂紋影響。無預(yù)制缺陷的裂紋擴展軌跡從試件底部預(yù)制裂紋處開裂基本沿垂直方向擴展直至到達落錘點附近貫穿整個試件。含張開型裂紋缺陷的試件起裂后,裂紋運動至張開型裂紋,經(jīng)過一段時間的能量積累,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方向擴展,上述規(guī)律不受裂紋缺陷的角度影響。

(2) 張開型預(yù)制裂紋會增加運動裂紋的擴展時長,而且預(yù)制裂紋的開口角度越大,運動裂紋貫穿試件的總時長越長,這是由于遇到預(yù)制裂紋后都會發(fā)生一段停滯的時間,而開口角度越大對裂紋擴展產(chǎn)生的滯留影響越大。

(3) 不同開口角度的預(yù)制裂紋都使裂紋擴展速度產(chǎn)生了較大的波動,而沒有預(yù)制裂紋的試件起裂之后其裂紋擴展速度一直在一個穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)小幅波動。運動裂紋與不同開口角度預(yù)制裂紋相遇后到重新起裂階段,都會先減速后增速到達峰值,不同的是當α=60°,α=90°,α=120°時,峰值遠遠大于裂紋平均擴展速度,而當α=180°時峰值幾乎與其平均擴展速度相同。而且試驗發(fā)現(xiàn)預(yù)制裂紋開口角度越大,裂紋擴展速度峰值越小,且α=180°時的峰值與無預(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)力強度因子變化規(guī)律相同。運動裂紋再次從預(yù)制裂紋尖端處起裂時裂紋尖端應(yīng)力強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試件。