受压状态下脆性材料断裂机理的试验研究

摘要

本文主要通过理论分析和试验，对脆性材料的断裂机理及断裂方向进行研究。本文首先从已有的研究结果出发，通过纠正已有研究的失误，讨论了脆性材料发生剪切破坏时，其斜截面上内摩擦力的存在性，并从理论上通过数学推导的方法分析了端面摩擦力、偏压、试验机压头、材料特性等因素对断裂方向的影响；首次对大量铸铁HT200试件进行准静态单轴压缩试验，宏观上观察其危险点和断裂方向。并对试件断面上不同部位进行电镜扫描，通过电镜图片，细观上分析其断裂机理；其次通过不同尺寸的铸铁试件的单轴压缩试验，观察不同试件的断裂机理，并从理论上分析了不同尺寸的试件其单轴抗压强度不同的原因；最后通过大理岩、花岗岩、砂岩三种岩石材料的单轴压缩试验，常规三轴试验，结合断口的电镜图片，分别从宏观和细观上分析了岩石的断裂机理。在此基础上，引入应力三维度这个应力状态参数，来区分不同的断裂机理，并对工程实际中常用的断裂强度准则做了细致的讨论。通过试验和分析，首次发现铸铁等材质较均匀的脆性材料单轴压缩破坏时，危险点位于试件中部，危险点上断裂方向为最大剪应力方向，其压缩破坏是一个复杂的断裂过程，同一断裂面发生了不同的断裂机理，中部断面，发生剪断，而上下端部断面，发生拉断；对于铸铁等材质较均匀的脆性材料，不同尺寸的试件其单轴抗压强度不同的原因主要是由于端面摩擦力影响范围不同；岩石等脆性材料的破坏机理受材料特性和应力状态的影响，随着应力三维度值从高向低依次变化，其断裂机制也将由张拉破坏依次转变为剪切破坏、塑性流动破坏。剪切断裂和塑性流动两种机理的转变是连续的，这主要因为这两种机理都是由塑性形变引起的。而张拉断裂和剪切断裂两种机理转变是不连续的，存在着分岔区，分岔区的大小主要和材料的均匀程度有关。对于同种材料而言，不同的断裂机理，对应着不同的应力三维度分界值；而对于不同的材料，具有不同断裂机理的应力三维度分界值也将不同。

目录

摘要

Abstract

1 概述

1.1 前言

1.1.1 古典强度理论的发展及其局限性

1.1.2 宏观断裂力学的发展及其局限性

1.1.3 细观力学的产生及观测方法

1.2 关于材料断裂破坏的一些认识

1.3 本文的主要工作

2 脆性材料剪切破坏时内摩擦力分析

2.1 引言

2.2 已有研究结果的分析

2.3 试件斜截面上内摩擦力分析

2.4 影响剪切破裂角大小的因素

2.4.1 端面摩擦力对剪切破裂角的影响

2.4.2 偏压对剪切破裂角的影响

2.4.3 试验机压头特性对剪切破裂角的影响

2.4.4 材料特性对剪切破裂角的影响

2.5 讨论

2.6 本章小结

3 脆性材料受压时启裂点与断裂方向的试验研究

3.1 引言

3.2 试验研究

3.2.1 试验方案

3.2.2 试验设备

3.2.3 试验过程

3.3 试验结果分析

3.4 本章小结

4 脆性材料抗压强度尺寸效应的试验研究

4.1 引言

4.2 试件尺寸及试验装置

4.3 试验过程

4.4 试验结果分析

4.5 讨论

4.6 本章小结

5 岩石材料断裂机理的试验研究及常用强度准则的讨论

5.1 引言

5.2 岩石材料强度理论研究的现状

5.3 岩石材料的断裂机理

5.3.1 岩石材料的宏观断裂机理

5.3.2 岩石材料的微观断裂机理

5.3.3 不同受力条件下材料的断裂形式

5.4 影响岩石材料断裂机理的主要因素

5.5 应力状态参数的引入

5.6 不同受力条件下几种材料的断裂规律

5.7 关于区分不同断裂机理的讨论

5.8 常用强度准则的讨论

5.8.1 Mohr-Coulomb强度准则及其讨论

5.8.2 Hoek-Brown经验强度准则及其讨论

5.9 本章小结

6 结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表论文