说说裂纹的分类

工程结构中的裂纹形式复杂多样，其形状、方向、受力特点的不同都会影响材料的断裂性能。研究含裂纹构件的断裂，需要先要对裂纹进行分类，共有两种分类方式，一是按裂纹几何特征分类，二是按受力状态进行分类。

按裂纹几何特征分类是指裂纹相对于构件的位置而言，如有的裂纹发生在材料内部，也可能发生在材料表面，对于一些薄板，还有可能裂纹从板的一面开到板的另一面，成为穿透的裂纹。为了便于分析，需要对裂纹进行分类。依据裂纹和材料几何关系，可以将裂纹分成深埋裂纹，表面裂纹和穿透裂纹，如图1(a)-(c)所示。

图1 裂纹的几何特征分类图，(a)穿透裂纹  (b) 表面裂纹  (3)深埋裂纹

穿透裂纹指裂纹贯穿构件厚度方向的裂纹。在实际工程，通常把裂纹延伸到构件厚度一半以上的裂纹都视为穿透裂纹，并做理想尖裂纹处理。穿透性可以是直线的、曲线的或其它形状的。表面裂纹是指裂纹位于构件表面，或裂纹深度相对于构件厚度方向较小。在实际工程中表面裂纹常简化为半椭圆片形裂纹。深埋裂纹位于构件的内部，其尺寸远小于构件尺寸，这类裂纹常简化为椭圆片状裂纹或圆片裂纹。

将裂纹分成穿透裂纹、表面裂纹和深埋裂纹是因为在这三种情况下，裂纹对构件断裂的影响不相同，其分析方法有所区别。

另外，依据裂纹的受力特征，裂纹可分为张开型（I型）、滑开型（II型）和撕开型（III型），如图2所示，

图2  I、II、III型裂纹的受力状态

其定义为：

张开型（I型）：裂纹受垂直于裂纹面的拉应力作用（图2中x方向）；

滑开型（II型）：裂纹受平行于裂纹面而垂直于裂纹前缘的剪应力作用（图2中z方向）；

撕开型（III型）：裂纹受既平行于裂纹面又平行于裂纹前缘的剪应力作用（图2中y方向）。

可见，对于I型裂纹是正应力破坏，II型，III型裂纹是剪应力破坏，但是两者的剪应力方向不同，II型裂纹平行于裂纹面但垂直裂纹前缘，III裂纹则平行于裂纹前缘方向。在工程上这3种裂纹都有可能发生，如图3(a)中，当压力容器受内压时，容器上的裂纹受拉应力破坏为I型裂纹；图3(b)中轮齿在挤压作用下，若齿根存在裂纹，则受平行于裂纹面切垂直裂纹前缘的剪切为II型裂纹；图3(c)中，若旋转轴上存在环向表面裂纹，则受既平行于裂纹面也平行于裂纹前缘的剪应力破坏，为III裂纹。

图3  工程中3种裂纹实例

也需要指出，在工程实际中，结构的受力方式是非常复杂的，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。如图4(a)所示的受力图，画出裂纹尖端沿裂纹面的应力分布，如图4(b)所示。显然，在裂纹面上即有对应于I型裂纹正应力，也有对应于II型裂纹的剪应力，因此，这是一个I-II混合型裂纹。 

图4 含斜裂纹板受拉时形成I-II型复合裂纹

这里给出的是最简单的复合型裂纹的例子，在实际中会复杂的多。不过，再复杂的受力状态，总可以将其分解到垂直于裂纹面正应力，和两个平行于裂纹面的切应力。垂直于裂纹面正应力对应于I型裂纹，平行于裂纹面垂直于裂纹前缘的切应力对应于II型裂纹，平行于裂纹面且平行于裂纹前缘方向的切应力对应于III型裂纹。

这就体现了力学的简洁美：纷繁复杂的工程裂纹，从受力角度可以分为3种简单裂纹、及其线性组合，让看似复杂的裂纹问题具有了分析的可能。