王 莹， 龚 雪， 王晓华

（辽宁石油化工大学机械工程学院，辽宁抚顺113001）

天然岩石质地坚硬耐磨，是传统的建筑与装饰材料。原料石材到石材制品要历经切割、磨平和抛光的机械加工工序，其中切割所占份额最重。同时，探矿和采矿工程中的钻头钻取岩心、市政和土建工程中的混凝土锯切机具等等，均为非金属高硬脆性材料的代表性锯切行为。典型的平齿取芯钻如图1所示，钻头的锯齿由柱壳周期阵列平端金刚石压头（节块）组成。该类切割工具锯齿形状选择主要来自实践经验。传统的观点认为，该类钻具切割岩石的机理为金刚石磨料在金属结合剂的把持下对岩石材料的磨削［1］，但实际上，该传统观点仅仅说明了平齿类破岩工具切割行为的一个方面。本文的研究将从平面压痕断裂力学的角度，揭示压痕边界断裂型开裂对平齿切割工具破岩机理的贡献。

Fig.1 Typical rock drill with flat－tipped indenters图1 典型平齿取芯钻

1 平面压痕断裂力学模型

典型的二维平面压痕问题如图2所示。即当刚性矩形压头作用在半平面均质各向同性弹性体的边界上时，在弹性体的表面形成一个平面压痕。若压头的半宽度为a，摩擦系数为f，且基体为不可压缩弹性体或f＝0时，则在压痕的边界处，即压头角点处存在Nadai A I［2］给出的如下渐进奇异应力场：

其中［3－7］：

和

其中

由（2）式可以看出，其应力场的奇异性和分布与I－型裂纹的奇异应力场相同，为典型的I－型奇异压应力场。Kind－Ⅰ表现为I－型平面压痕的应力强度因子。同时应当注意到，（3）式为典型的II－型裂纹的奇异应力场，Kind－Ⅱ表现为II－型平面压痕的应力强度因子。……