断裂力学的第一步：裂纹的分类及其判断方法

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　　如果我们理解了断裂力学就是研究材料或结构中的裂纹，基本上我们就抓住了断裂力学的命脉，我们就可以使用材料力学、弹性力学、塑形力学所学的知识耐心的、心平气和的(这是学习的必要素质)分析一下材料中的裂纹如何形成，扩展，以及结构是如何发生断裂的。

　　只要我们能理解断裂准则，即当载荷或裂纹达到一定程度时结构破坏，我就认为，我们完全可以理解断裂力学的基本理论。这里，我们先暂时忘了我们要学习断裂力学，我们可以想象一下结构中的缺陷到底可能是什么样的?

　　这个问题应该这样回答，结构和材料中的裂纹应该具有一种随机性，就是不确定。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。

　　再下来，我们可以先拿出穿透性裂纹来，再加上它将要承受的载荷，再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我们的断裂力学的知识。由于方便面包装袋是撕开的，我们就把它叫做撕开型裂纹。

　　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，我们这里只具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，我们可以把他们看成是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，我们就可以很轻松的判断出它属于哪种复合情况，但是根本在于是否真正体会了 I，II，III型裂纹的划分。

　　图3 左含裂纹板，右含裂纹板在裂纹边缘的应力分布

　　把裂纹的分类称为断裂力学第一步，应该足以显示它在断裂力学中的地位了，如果弄不清这三种裂纹的分类，很难能想象如何去学习断裂力学，所以要打好基础，就是要从本质上体会裂纹的分类，分类清楚了，我们才好有针对性的、逐步解决关于裂纹的问题。

　　本文来自科学网张伟伟的个人博客。