1 材料韧性及破裂力学
新竹清华大学张士钦教授
2004秋季于北京清华大学
一、材料之韧性
韧性是一材料由受力变形到断裂所能吸收的能量。一材料之韧性会随着材料中的缺陷、试片的大小、试片受力状况、时间、温度及环境而变。
最常用的韧性测量试验是冲击试验(图一)，为了模拟实际状况，又有爆突试验、落重试验、动态撕裂试验、裂口停止温度试验等试验方式(图二)，以测试较大试片、较大之应变速率、较尖之裂口在不同温度下材料韧性之变化。前述的各种测量韧性试验，有一项共同的缺点：由这些试验所测出之参数，并非一材料常数。这些参数的值会随着试片的形状、大小以及刻痕的状况而变。通常发现裂口愈尖、试片愈厚、温度愈低、荷重加的愈快时，材料显示出的韧性便愈小(图三及图四)。
二、裂口位移的三型及裂面方向
裂口前进其位移可分为如图五所示的三型 (mode)。 第1 型为张开型，第2 型为剪床型，第3 型为撕剪 (tear) 型，若符合裂口前端平面应变条件 (试片够厚)， 则第1 及2 型可用罗马字I 及II表示,罗马字III 表示试片为符合反平面应变 (anti-plane
strain) 条件的第3 型裂口位移。
三、裂缝存在对材料韧性的影响
如图六所示，材料中的裂缝会： 1. 造成高局部应力及应变; 2. 造成三轴向张应力状态; 3. 造成高局部应变硬化及开裂 4. 造成局部应变速率增加。这些都会降低材料的韧性。一般而言厚材料中裂缝的危害比在薄材料上大，因为在厚材料中裂口之材料受到三轴向应力，塑变受到限制，因而破裂韧性值较小(图七及图八)。
四、材料的方向性与裂口裂面方向表示法
材料的许多特性均与材料的方向有关，称之为方向性(Anisotropy)。材料的方向性可分
2 为两大类型，一为结晶学的方向性，是由于材料中各晶粒方向趋于一致而造成的。变形加工、再结晶甚或铸造的晶粒，都可能因成长方向相同，而使材料有了晶粒方向趋于一优选方向(Preferred orietation) 的结构，称之为织构 (Texture)。另一类型的方向性则是由于晶粒形状沿成长或变形方向拉长，使材料中的晶界、第二相、空孔、夹渣等沿变形方向排列而造成的，称之为机械纤维 (mechanical fibering)。对于材料的机械性质而言，织构主要影响的是材料弹性变形及塑性变形的特性，而机械纤维则主要影响的是其断裂的特性。
金属材料的断裂韧性
摘要 不同的金属材料的断裂韧性是不一样的，对不同金属材料的断裂韧性进行研究并找出影响的因素对提高金属材料断裂韧性具有非常重要的意义。根据影响金属材料断裂韧性因素的不用，可以总体上概括为两个部分的因素，分别是金属材料外部因素和金属材料内部因素，本文分别就影响金属材料的外部因素和内部因素综合进行分析，以得出影响金属材料动态断裂韧性的因素。
关键词 金属材料；失效；断裂韧性；影响因素
0 引言
随着现代社会经济的不断发展，对金属材料的使用也大大的增加，在工程构件设计和使用的过程中，最为严重的就是金属材料的断裂，金属材料一旦发生断裂就会发生生产安全事故，同时也会造成一定的经济损失。通过对以往发生的大量的金属材料的断裂事件的分析，得出构件的低应力脆断是由宏观裂纹扩展引起的，其中最为主要的是金属材料的断裂纹，裂纹一般是在金属加工和生产的过程中引起的[1]。
根据影响金属材料断裂韧性因素的不用，可以总体上概括为两个部分的因素，分别是金属材料外部因素和金属材料内部因素，本文分别就影响金属材料的外部因素和内部因素综合进行分析，以得出影响金属材料动态断裂韧性的因素。
1 影响金属材料断裂韧性的外部因素
1.1 几何因素的影响
几何因素是影响金属材料断裂韧性的一个最为重要的外部因素。几何因素主要包括两个方面的内容，分别是试样厚度和试样取向等因素，下面对这两个因素进行分析：
1）试样厚度
目前在对金属材料的断裂韧性进行研究的过程中发现，不同厚度的金属材料会对会对裂纹前端的应力约束产生较大的影响，同样也会对金属材料的断裂韧性有一定的影响，所以我们分别用不同厚度的同一个金属材料进行断裂韧性的实验，在实验的过程中发现厚试样的断裂韧性值明显的比薄试样的断裂韧性值要低，换而言之，不同厚度的金属材料，其自身的断裂韧性也不同，厚度也是影响金属材料断裂韧性的一个重要的因素[2]。
2）试样的取向
在对金属材料进行取样测试的时候，试样的去向业余金属材料的断裂韧性之
实验 陶瓷材料断裂韧性的测定
一、 前言
脆性材料的破坏往往是破坏性的，即材料中裂纹一旦扩展到一定程度，就会立即达到失稳态，之后裂纹迅速扩展。材料的断裂韧性可以用来衡量它抵抗裂纹扩展的能力，亦即抵抗脆性破坏的能力。它是材料塑性优劣的一种体现，是材料的固有属性。裂纹扩展有三种形式：掰开型 (I型)、错开型 (II型)、撕开型 (III型)，其中掰开型是最为苛刻的一种形式，所以通常采用这种方式来测量材料的断裂韧性，此时的测量值称作KIC。在平面应变状态下材料KIC值不受裂纹和几何形状的影响。因此，KIC值对了解陶瓷这一多裂纹材料的本质属性，具有非常重要的意义。
目前，断裂韧性的测试方法多种多样，如：单边切口梁法 (SENB)、双扭法（DT)、山形切口劈裂法、压痕法、压痕断裂法等。其中，有些方法技术难度较高，不太容易实现大规模实用化；有些方法会出现较大测量误差，应用起来存在一定困难。相对而言，比较普遍采用的SENB法，该方法试样加工较简单，裂纹的引入也较容易。
本实验采用SENB法进行。但是，这种方法存在裂纹尖端钝化、预制裂纹宽度不易做得很窄等缺陷；另外，它适用于粗晶陶瓷材料，对细晶陶瓷其所测的KIC值偏大。
二、仪器
测试断裂韧性所需仪器如下：
1. 材料实验机
对测试材料施加载荷，应保证一定的位移加载速度，国标规定断裂韧性测试加载速度为0.05mm/min。
2. 内圆切割机
用于试样预制裂纹，金刚石锯片厚度不应超过0.20mm。
3. 载荷输出记录仪
输出并记录材料破坏时的最大载荷，负荷示值相对误差不大于1。本实验在材料实验机上配置了量程为980N的称重传感器输出载荷，采用电子记录仪记录断裂载荷。
4. 夹具
保证在规定的几何位置上对试样施加载荷，试样支座和压头在测试过程中不发生塑性变形，材料的弹性模量不低于200GPa。支座和压头应有与试样尺寸相配合的曲率半径，长度应大于试样的宽度，与试样接触部分的表面粗糙度Ra（根据规定不大于1.6μm）。试样支座为两根二硅化钼发热体的小圆柱，置于底座两个凹槽上。压头固定在材料实验机的横梁上。
3－1 第三章 抗裂计算
抗裂计算也即抗裂验算，是钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算的一部分。因为是正常使用状态的验算，所以输入的内力值是标准值，即不考虑荷载分项系数计算出的内力值。已设计完成的抗裂计算程序包括：轴心受拉抗裂计算、偏心受拉抗裂计算、偏心受压抗裂计算、受弯抗裂计算等。下面分节介绍。
第一节 轴心受拉抗裂计算
一、 采用公式及条件
基本公式：
A0=Ac+αEAs
Nk≤αctftkA0
公式符号说明：
Nk——拉力标准值；
ftk——混凝土轴心抗拉强度标准值；
αct——混凝土拉应力限制系数，对荷载效应的标准组合，取0.85；
αE——钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值；
sA——钢筋截面积；
cA——混凝土截面积； 3－2 0A——换算截面面积。
二、 操作方法
图 3-1 轴心受拉抗裂计算对话框
使用时，用户点“轴心受拉抗裂计算”菜单项，弹出如图3-1所示的对话框。在该对话框中，输入项目名称和拉力标准值等参数，设定钢筋和混凝土的级别（则钢筋和混凝土的标准强度值以及弹性模量会自动变化），就可点取“抗裂计算” 按钮，程序会立即计算出换算截面积A0、构件抗力计算值，并判断是否满足抗裂要求，如果用户点“保存文件”按钮，程序就会把已知条件和计算结果保存成一个文件，用户点“退出”按钮，程序退出当前的计算。 3－3 第二节 偏心受拉抗裂计算
一、 采用公式
0ANWMkmokγ≤γmαctftk
即：NK ≤
00000WAeWAfmtkctmγαγ
公式符号说明：
Nk——拉力标准值；
Mk——弯距标准值；
e0——轴向力对截面重心的偏心矩，Mk=Nke0；
ftk——混凝土轴心抗拉强度标准值；
αct——混凝土拉应力限制系数，对荷载效应的标准组合，取0.85；
γm——截面抵抗矩塑性系数；
sA——钢筋截面积；
cA——混凝土截面积；
0A——换算截面面积；
