断裂韧性的结果分布
平面应变断裂韧性KIC试验结果解析
平面应变断裂韧性K IC试验结果解析◎张立文一、断裂韧性工程设计中使用屈服强度σ0.2确定构件的许用应力[σ]，在许用应力以下构件就不会发生塑性变形，更不会发生断裂。
然而事实并非如此，高强度材料的构件有时会在应力远远低于屈服强度的状态下发生脆性断裂；中低强度材料的重型构件及大型结构件也有类似的断裂。
屈服强度仅能保证构件不发生塑性变形及随后的韧性断裂，却不能防止脆性，延伸率、断面收缩率、冲击韧性、缺口敏感性等指标也是基于无裂纹理想的试样测得，加之具体工作条件不同，也很难确定这些性能指标。
1.断裂韧性含义。
无论是韧性断裂还是脆性断裂，其断裂过程均包含裂纹形成和扩展两个阶段，大量事例和实验分析说明，低应力脆性断裂总是由材料中宏观裂纹的扩展引起的，断裂力学就是以构件中存在宏观缺陷为讨论问题的出发点，运用连续介质力学的弹性理论，考虑材料的不连续型，研究材料裂纹扩展的规律，确定能反映材料抗裂纹性能的指标及其测试方法以控制和预防构件的断裂。
断裂韧性就是断裂力学用于表征反映材料抵抗裂纹失稳扩展能力的性能指标。
. 2.K IC的意义。
根据缺口效应，应用弹性力学理论，研究含有裂纹材料的应力应变状态和裂纹扩展规律的线弹性断裂力学，在特定条件下，通过计算定义了表示裂纹前端应力场强弱的因子，简称应力场强度因子KⅠ，KⅠ是一个能量指标。
裂纹扩展有三种形式，张开性、滑开型和撕开型，其相应的应力场强度因子也不同，分别以KΙ、KⅡ、KⅢ表示，KΙ是正应力作用下，裂纹在张开性扩展时的应力场强度因子。
张开性扩展是最危险的，容易引起低应力脆断，材料对这种裂纹扩展的抗力最低。
因此，即使是其它形式的裂纹扩展，也常按Ι型处理。
研究计算表明，材料在平面应变状态下，裂纹前端处于三向拉应力状态，这时材料塑性变形比较困难，裂纹容易扩展，显得特别脆，是一种危险的应力状态。
如果裂纹尖端处于平面应变状态，则断裂韧性的数值最低，称之为平面应变断裂韧性，用K IC表示。
材料力学性能-4-断裂韧性
4.3.1 裂纹尖端塑性区的形状与尺寸
• 依据屈服判据建立符合塑性变形临界条件的方 程，方程式对应的图形即代表塑形区边界的形 状，其边界值则为塑形区的大小。 • Von Mises屈服判据
(σ 1 − σ 2 ) + (σ 2 − σ 3 ) + (σ 3 − σ 1 ) = 2σ s
2 2 2
2
4.3 裂纹尖端塑性区及其修正
如前所述，对裂尖应力场，当 r→0 时， σ y →∞ 。这在实际金属中是难以实 现的。 ∵对金属材料，当应力超过材料的屈服 极限时，将屈服而发生塑性变形，塑性 变形会使裂纹尖端区的应力得以松弛， 此塑性变形的区域称为塑性区。
※由于塑性区的存在，其内应力－应变关系 已不再遵循线弹性力学规律。 ◆线弹性力学分析的有效性??◆ ※若塑性区很小，经适当修正后，线弹性力 学的分析仍然有效。否则，结果将失真！ ※首先应确定塑性区的范围，然后提出相应 的修正办法。
• 断裂韧性 KIC 是表征材料抗断裂能力的材料常数。 • 在一定条件（温度、加载速度）下，各种材料的 断裂韧性 KIC 值是确定的，与裂纹尺寸、形状、 外应力大小无关。 • 当 KI 达到了材料的 KIC 时，裂纹就可能发生失稳 扩展而使构件破坏，而不是一定要失稳断裂。因 为，KIC 是 KC 的最低值。 ∴ 断裂判据KI ≥ KIC只是裂纹体失稳断裂的必要 条件，而非充分条件。
不断增多的脆性断裂事故，使人们逐渐有新认识：
• 传统力学是把材料一律看成了理想完整的、均匀的、 无缺陷的连续体。 • 实际的工程材料，在制备、加工及使用过程中，材 料的内部难免存在或多或少的气孔、夹渣、切口或 裂纹等缺陷。
• 传统的强度设计准则不能保证工程构件的安全服役。
• 断裂力学以材料中存在裂纹或类裂纹初始缺陷为前 提，运用连续介质力学的弹塑性理论，考虑材料的 不连续性，研究存在宏观裂纹的裂纹体的断裂问题， 给出了新的材料断裂抗力指标——断裂韧性。
921A 钢的延性断裂韧性测试研究
921A 钢的延性断裂韧性测试研究周启雄;范俊明;程红渝;董承武【摘要】以 GB ／T 21143的柔度法及美国标准 ASTME1820－11推荐规则化数据还原技术为基准，对921A 钢试样进行预制疲劳裂纹、收集试验数据、试验数据后处理、有效性评估等几个方面的试验研究。
研究结果表明：通过采用规则化数据还原技术以及柔度法对所有试样进行数据处理，两种数据处理方法得到的 J—Δa 曲线以及启裂韧度 JQ均较为接近，且试验预测的最终裂纹长度与光学显微镜实测裂纹长度吻合。
说明了采用 GB ／T 21143可以有效测定高强度塑性材料的延性断裂韧性。
%Based on unloading compliance method by GB /T 21143 and rules for normalized data reduction technique recommended by American standard ASTME1820 -11.Several experimental studies were con-ducted,such as prefabricating fatigue pre-crack of 921A steel specimens,collecting and processing test data,and evaluating validity of experiments.The results of this research show that J—Δa curve and crack initiation toughness JQ acquired by the normalized data reduction technology and unloading compliance method are relatively consistent,and there is an approximate consistency between the final crack length of prediction and actual crack length observed by optical microscope.It can be concluded that the use of GB /T 21143 can be effectively measured ductile fracture toughness of high-strength plastic material.【期刊名称】《压力容器》【年(卷),期】2016(033)006【总页数】7页(P1-7)【关键词】921A钢;延性断裂韧度;规则化数据还原技术;柔度法【作者】周启雄;范俊明;程红渝;董承武【作者单位】成都格瑞特高压容器有限责任公司，四川成都 610400;成都格瑞特高压容器有限责任公司，四川成都 610400;成都市特种设备检验院，四川成都610041;成都市特种设备检验院，四川成都 610041【正文语种】中文【中图分类】TH142;TG142.1;TG111.91根据构件的服役条件，在对构件进行安全评定时，材料的延性断裂韧度是重要的性能指标。
Beremin模型预测尺寸效应对A508-3钢断裂韧性的影响
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球墨铸铁断裂韧性随温度变化规律的研究球墨铸铁是一种具有较高的机械性能的合金钢，因为它的不同温度特性，在多种工况下被广泛使用，在航空、电力、船舶、重型机械和建筑等领域中都有应用。
而断裂韧性是衡量某种材料机械性能的关键指标，它受到温度变化的影响非常大。
因此，研究球墨铸铁断裂韧性随温度变化的规律，可以为该材料的运用和开发提供参考依据。
二、t球墨铸铁断裂韧性规律1．室温室温下，球墨铸铁的断裂韧性受到组成成分、热处理工艺和组织等的多种因素的影响，断裂韧性一般介于115MPa-140MPa之间。
2．低温在低温条件下，球墨铸铁的断裂韧性会急剧下降，低温析晶和断裂会使材料性能大幅降低，影响断裂韧性。
在零度左右，球墨铸铁断裂韧性可能只有室温的一小部分。
3．高温高温下，球墨铸铁的断裂韧性表现出先上升后下降的趋势，但短时间不会有明显的变化。
直到材料组织发生明显破坏时，断裂韧性才开始急剧下降，并随着温度进一步提高而迅速降低，温度达到500℃以上则明显降低。
三、t温度变化对球墨铸铁断裂韧性影响的机理1．低温低温状态下材料因界面张力和低温析晶产生的断裂，使断裂韧性降低。
当温度低于材料的变质温度时，材料的结构和性能会发生变化，从而影响材料的机械性能，特别是断裂韧性减小。
2．高温高温状态下材料处于力学受力，损伤增加，析晶速度加快，晶界缺陷增多，断裂韧性降低的状态。
当温度过高，超过球墨铸铁的析晶温度，材料的结构就会发生改变，断裂韧性迅速降低，这也是为什么在高温条件下破坏球墨铸铁断裂韧性很容易。
四、t研究方法1．试验材料研究中选取20mm×20mm×50mm的球墨铸铁试样，主要成分为C、Si、Mn、P、S，组织类型为连续石墨，用于温度变化下的断裂韧性测试。
2．试验装置研究中使用拉伸试验机，可以模拟不同温度条件下的拉伸试验；使用硬度计，可以测量试样表面硬度；使用显微镜，可以分析材料组织变化；使用高速摄像机，可以记录拉伸实验过程中断裂发生的过程。
浅谈J积分法在测定材料断裂韧性中的应用
浅谈J积分法在测定材料断裂韧性中的应用J积分法是一种用于测定材料断裂韧性的重要方法。
它是基于应变能耗散的原理，通过对材料断裂过程中应变能的积分来评估其断裂韧性。
本文将从J积分法的基本原理、测定方法以及应用实例三个方面进行论述，以期对J积分法在测定材料断裂韧性中的应用进行深入探讨。
首先，我们来介绍J积分法的基本原理。
J积分法是建立在线弹性力学理论基础之上的，假设材料的断裂过程是一个无限小的裂纹扩展过程。
在无限小裂纹扩展中，裂纹尖端附近的应变场可以近似看作是一个二维弹性问题。
根据线弹性力学理论，材料在拉伸过程中的应变能耗散可以表示为应变能密度的分布累积，即应变能耗散密度的积分。
J积分即是该应变能耗散密度积分的结果。
其次，我们来讨论J积分法的测定方法。
J积分的计算通过对裂纹尖端附近应变场的数值模拟来实现。
一种常用的计算方法是有限元方法，通过构建适当的数值模型来计算应变能耗散密度的积分。
这需要将裂纹尖端的应力和应变信息输入到数值模型中，然后进行数值计算得到J积分的结果。
J积分法的测定还可以通过实验手段实现，常用的方法是通过测量断裂试样的载荷-位移曲线，并根据曲线的降低率计算出断裂韧性参数。
具体而言，可以通过剪切试验或拉伸试验等实验方法，先测定断裂试样的载荷-位移曲线，然后通过求解该曲线的斜率来获得J积分的结果。
最后，我们来探讨J积分法在测定材料断裂韧性中的应用。
J 积分法具有很大的应用潜力，尤其在评估材料的断裂性能方面具有重要意义。
通过测定材料的J积分值，可以得到较为准确的断裂韧性参数，对于评估材料的断裂性能、设计结构的可靠性以及材料的损伤机理研究等方面具有重要意义。
J积分法的应用非常广泛，例如在航空航天领域，评估材料的断裂韧性是确保飞机结构安全可靠的关键因素之一。
通过J积分法可以对航空材料的断裂性能进行准确评估，并指导材料的选用和结构设计。
此外，在汽车工业、核能工业、石油化工等领域，J积分法也被广泛应用于材料断裂韧性的测定，以保证关键设备的安全运行。
断裂力学和断裂韧性
断裂力学与断裂韧性3.1 概述断裂是工程构件最危险的一种失效方式，尤其是脆性断裂，它是突然发生的破坏，断裂前没有明显的征兆，这就常常引起灾难性的破坏事故。
自从四五十年代之后，脆性断裂的事故明显地增加。
例如，大家非常熟悉的巨型豪华客轮－泰坦尼克号，就是在航行中遭遇到冰山撞击，船体发生突然断裂造成了旷世悲剧！按照传统力学设计，只要求工作应力σ小于许用应力[σ]，即σ<[σ],就被认为是安全的了。
而[σ]，对塑性材料[σ]=σs /n，对脆性材料[σ]=σb/n，其中n为安全系数。
经典的强度理论无法解释为什么工作应力远低于材料屈服强度时会发生所谓低应力脆断的现象。
原来，传统力学是把材料看成均匀的，没有缺陷的，没有裂纹的理想固体，但是实际的工程材料，在制备、加工及使用过程中，都会产生各种宏观缺陷乃至宏观裂纹。
人们在随后的研究中发现低应力脆断总是和材料内部含有一定尺寸的裂纹相联系的，当裂纹在给定的作用应力下扩展到一临界尺寸时，就会突然破裂。
因为传统力学或经典的强度理论解决不了带裂纹构件的断裂问题，断裂力学就应运而生。
可以说断裂力学就是研究带裂纹体的力学，它给出了含裂纹体的断裂判据，并提出一个材料固有性能的指标——断裂韧性，用它来比较各种材料的抗断能力。
3.2 格里菲斯(Griffith)断裂理论3.2.1 理论断裂强度金属的理论断裂强度可由原子间结合力的图形算出，如图3-1。
图中纵坐标表示原子间结合力，纵轴上方为吸引力下方为斥力，当两原子间距为a即点阵常数时，原子处于平衡位置，原子间的作用力为零。
如金属受拉伸离开平衡位置，位移越大需克服的引力越大，引力和位移的关系如以正弦函数关系表示，当位移达到Xm 时吸力最大以σc表示，拉力超过此值以后，引力逐渐减小，在位移达到正弦周期之半时，原子间的作用力为零，即原子的键合已完全破坏，达到完全分离的程度。
可见理论断裂强度即相当于克服最大引力σc。
该力和位移的关系为图中正弦曲线下所包围的面积代表使金属原子完全分离所需的能量。
断裂韧性
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结果
在断裂韧性的测定中，有三个阶段，在第一阶段里，FPZ逐渐形成，应力强度因子KI值将会单调增加；在第 二阶段里，裂纹发生稳定扩展；然后在第三阶段，出现了KI值的突然减少到KIC值。对于这种现象的一种可能解 释是数值方法的固有假定所至。在有限元标定中假定了理想的线弹性系统，但随着实验的进行，此假定却进一步 失去正确性。因为有限裂纹长度增加，可以观察到大的残余CMOD。这个影响，在实验开始时可以忽略，但到实验 的后期此影响是相当大的。
外部因素 外部因素包括板材或构件截面的尺寸、服役条件下的温度和应变速率等。 材料的断裂韧性随着板材或构件截面尺寸的增加而逐渐减小，最后趋于一稳定的最低值，即平面应变断裂韧 性KIC。这是一个从平面应力状态向平面应变状态的转化过程。 断裂韧性随温度的变化关系和冲击韧性的变化相类似。随着温度的降低，断裂韧性可以有一急剧降低的温度 范围，低于此温度范围，断裂韧性趋于一数值很低的下平台，温度再降低也不大改变了。 关于材料在高温下的断裂韧性，Hahn和Rosenfied提出了以下经验公式： 式中： n——高温下材料的应变硬化指数；E——高温下材料的弹性模量，MPa； σs——高温下材料的屈服应力，MPa； εf——高温下单向拉伸时的断裂真应变， ；
定义
断裂韧性表征材料阻止裂纹扩展的能力，是度量材料的韧性好坏的一个定量指标。在加载速度和温度一定的 条件下，对某种材料而言它是一个常数，它和裂纹本身的大小、形状及外加应力大小无关，是材料固有的特性， 只与材料本身、热处理及加工工艺有关。当裂纹尺寸一定时，材料的断裂韧性值愈大，其裂纹失稳扩展所需的临 界应力就愈大；当给定外力时，若材料的断裂韧性值愈高，其裂纹达到失稳扩展时的临界尺寸就愈大。它是应力 强度因子的临界值。常用断裂前物体吸收的能量或外界对物体所作的功表示。例如应力-应变曲线下的面积。韧性 材料因具有大的断裂伸长值，所以有较大的断裂韧性，而脆性材料一般断裂韧性较小。
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断裂韧性
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所属分类：冶金术语化学各种化学名称机械机械工程机械零件金属加工
表征材料阻止裂纹扩展的能力，是度量材料的韧性好坏的一个定量指标。
在加载速度和温度一定的条件下，对某种材料而言它是一个常数。
当裂纹尺寸一定时，材料的断裂韧性值愈大，其裂纹失稳扩展所需的临界应力就愈大；当给定外力时，若材料的断裂韧性值愈高，其裂纹达到失稳扩展时的临界尺寸就愈大。
目录
∙• 概述
∙• 规律与测试
∙• 论文
∙• 参考资料
断裂韧性-概述
构件经过大量变形后发生的断裂。
主要特征是发生了明显的宏观塑性变形(不包括压缩失稳)，如杆件的过量伸长或弯曲、容器的过量鼓胀。
断口的尺寸(如直径、厚度)比原始尺寸也明显变化。
韧性断裂的断口一般能寻见纤维区和剪唇区。
断口尺度较大时还出现放射形及人字形山脊状花纹。
形成纤维区断口的断裂机制一般是“微孔聚合”，在电子显微镜中呈韧窝状花样。
韧性断裂一般由超载引起，而材料的塑性与韧性又很优良。
纤维区一般是断裂源区。
剪切唇总是在断口的边缘，并与构件的表面约成45°夹角，是在平面应力受力条件下发生剪切撕裂而形成的断口，剪切唇表面较光滑，断裂时的名义应力高于材料的屈服强度。
断裂韧性-规律与测试
随着概率断裂力学工程应用的逐步深入，材料断裂韧性分散性问题，已成为影响含缺陷结构概率安全评定的关键因素之一。
合理解决材料断裂韧性分散性是一个十分复杂的问题。
一方面巾于冶金过程等方面的偏差，造成材料断裂韧性的分散性；另一方面由于试样几何尺寸、裂纹长度测量等试验误差，亦会导致测试结果的不确定性，还有不同测试规范和标准对测试数据的处理也会导致测试结果的不
确定性。
若缺陷位厂焊接部位，影响因素将更加复杂。
除上述原因外，还会有诸如焊接上艺、焊材、以及不同操作人员及焊后热处理等因素导致断裂韧性测试结果分散性更加严重。
尽管分析和解决其分散性问题如此复杂，十分困难，然而，在对含缺陷焊接结构(尤其是工业锅炉、压力容器和管道)进行安全评定时，重点就是焊接接头区而不是母材。
如何处理断裂韧性的分散忭问题已成为工程界不可回避的问题，也是概率安全评定应解决的基本问题之—。
对材料断裂韧性分散性规律的研究，在理论和实践上均已取得较大进展。
Wallin分别根据Weibuli统计模型和微结构分析模型，推得基于断裂韧性尺I(单位：MN·m-3/2)失效准则的累积失效概率
并从理论上得到Kl服从形状参数m：为4的Weibull分布，同时指山m1不等于4是由厂测试数据不够而造成的，并且认为延性撕裂和材料非均匀性对分散性只具有较轻微的影响。
这一理论建立在裂尖小范围有效体积基础上。
Slatcher将裂尖等效为多个单元的串联模型，推导出基寸：断裂韧性，J(单位：N／inlTl)失效准则的累积失效概率
式中，a＝B中，B为试样宽度，中为常数；B＝2。
这一理沦基于如下假设：
1)裂纹体能被分成若干单元，任一单元的失效意味着整体失效，各单元强度彼此独立且同分布。
2)第一个失效单元的应力和应变与裂尖应力场强度，J和该单元到裂尖的垂直距离r有关，仅由r／J确定。
3)第一千失效单元必须位于r和O定义的区域内(r，O为该单元的柱坐标)对任何O均有Jg(O)≤r≤Jh(O)。
g(O)和h(O))为o的函数，分别为该区域的内、外界限。
由式(5．2)可知，理论上断裂韧性／服从形状参数为2的双参数威布尔分布。
对充分小的试验数据集，式(5.2)比对数正态分布和威布尔分布能更好地描述断裂韧性的分布规律。
Neville提出了另一种描述断裂韧性分布的模型，该模型不用作任何假设和近似处理。
由断裂韧性构成一个样本u，样本u中的子样ui由g2，J2或K1确定，g2，J2或K1分别由CTOD、JIC和Kic的测试数据计算得到。
累积失效概率由如下双参数分布函数表达
式中，a，b为分布参数。
Neville将该模型分别对几组断裂韧性的测试数据进行厂分析，结果表明该模型应用方便，与实测数据分布吻合较好，并略偏保守。
Hauge和Thualow分别采用Weibull分布、Log—Normal分布、Slather模型以及Neville模型，对两组CTOD数据(86个母材和16个焊材)进行了统计分析，其主要结论如下：
1)两组CTOD数据并非服从形状参数为2的Weibull分布(或Slather模型)；双参数Weibull分布、Log—Normal分布和Neville分布都适宜拟合这些数据。
2)90％置信限的中位期望值可较好地由I．og—Normal分布得到；对于只有三个子样时，能较好地等效于三个值十取最小值的方法；对大子样，Log—Normal 吻合更好。
3)对于小子样，Log—Normal分布提供最为可靠的估计，Weibull分布和Neville模型在于样为3和5时由于数据不够，难以估计分布参数值。
4)数值模拟结果及拟合结果均表明Log—Normal分布无论对太子样还是小于样，拟合精度足够，不是特别保守。
Mimura等对由于材料不均匀而引起断裂韧性的分散性做了分析与试验研究。
经过从同一块板上取样的CharpyV型试块试验分析，提出了区别材料不均匀性导致的分散性与测试中导致的分散性的方法。
断裂韧性-论文
聚烯烃弹性体POE作为一种新型弹性体，具有良好的加工性能和力学性能，相比EPDM与EPR等弹性体而言对聚丙烯的增韧效果更好[1]。
但目前尚未有文献研究POE对PP断裂韧性的影响，本文采用了一种新近发展起来的研究断裂韧性的方法－基本断裂功法（EWF），研究了PP和不同含量POE的PP/POE共混体系的断裂韧性，同时分析了其力学性能。
本文采用注射成型的双边深缺口拉伸(DENT)试样在室温及低速应力（5mm/min）条件下进行拉伸断裂实验。
根据EWF理论[2,]，拉断带缺口试样所需的总断裂功Wf可分为两部分：基本断裂功We和非基本断裂功或塑性功Wp。
We用于形成新的断裂表面，为表面能，对一定厚度(t)的试样，它与试样韧带(ligament)即缺口剩余长度(l)成正比，Wp是消耗于塑性变形的那部分功，为体积能，与l2成正比。