[科普中国]-断裂韧性

断裂韧性是试样或构件中有裂纹或类裂纹缺陷情形下发生以其为起点的不再随着载荷增加而快速断裂，即发生所谓不稳定断裂时，材料显示的阻抗值。这样的断裂韧性值，可用能量释放率g、应力强度因子K、裂纹尖端张开位移CTOD和J积分等描述裂纹尖端的力学状态的单一参量表示。1

简介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。

断裂韧性在工程中受到重视的原因是，它表征与光滑试样中强度特性完全相反的特性。例如，很粗略地说，同一系列的材料的断裂韧性值随屈服强度增加而下降。因此，尽管按屈服强度准则认为已进行十分安全设计的高强度材料的结构，由于其构件中某种原因或有缺陷或产生裂纹，甚至也会发生不稳定断裂造成致命的损伤。由于材料屈服强度随温度下降而增大，在设计过程中未考虑低温断裂韧性的情形，也会造成同样结果。过去结构物断裂事故中，由于对上述断裂韧性认识不足而发生的事故一定不少。

一般地说，在不稳定断裂之先，随着载荷增加断裂徐徐进行，即所谓稳定断裂的情形不少。虽是一种稳定断裂，但由于疲劳，应力腐蚀裂纹，蠕变等原因，裂纹扩展后转变为不稳定断裂的情形也不少。

如把临界缺陷扩展称为不稳定断裂，把亚临界缺陷扩展叫做稳定断裂，不管稳定断裂的内容如何，断裂韧性均表示材料在稳定断裂转变为不稳定断裂时的阻抗值。当然，断裂韧性受事先进行的稳定断裂的影响是明显的。同时，我们知道断裂韧性值有显著的尺寸效应。尺寸效应是产生应力状态和屈服范围问题的原因，尤其是屈服范围构成选择表示断裂韧性的力等参数问题。1

影响断裂韧性的因素如能提高断裂韧性，就能提高材料的抗脆断能力。因此必须了解断裂韧性是受哪些因素控制的。影响断裂韧性的高低，有外部因素，也有内部因素。

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， ；

Ψ——高温下单向拉伸时的断面收缩率。

应变速率的影响和温度的影响相似。增加应变速率和降低温度的影响是一致的。

内部因素内部因素有材料成分和内部组织。作为材料成分与内部组织因素的综合，材料强度是一宏观表现。从力学上而不是冶金学的角度，人们总是首先从材料的强度变化出发来探讨断裂韧性的高低。只要知道材料强度，就可大致推断材料的断裂韧性。下图为AISI 4340（40CrNiMo）钢的断裂韧性和经淬火、回火热处理成不同屈服强度后的相互关系。可见，断裂韧性是随材料屈服强度的降低而不断升高的。这一试验结果是有代表性的，大多数低合金钢均有此变化规律。即使像马氏体时效钢（18Ni）也是如此，只不过同样强度下断裂韧性值较高些而已。2

断裂韧性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。

一般地，仅仅第二阶段时的断裂韧性值可以作为静力分析时用。它们的平均值总结于下表中。从表中，我们可以观察到如下现象：

①上面的表中所列的相对偏差都在范围20%以内，断裂韧性的客观值与试件的尺寸无关，并可以获得；

②基于水平方向上的相对误差，也可发现断裂韧性与MSA的尺寸无关；

③这些结果是在无限制条件的实验室里得到的，对于限制应力对断裂韧性的影响可见1990年Saouma等人的研究结果。3

测试方法压痕法（IM）测试试样表面先抛光成镜面，在显微硬度仪上，以10Kg负载在抛光表面用硬度计的锥形金刚石压头产生一压痕，这样在压痕的四个顶点就产生了预制裂纹。根据压痕载荷P和压痕裂纹扩展长度C计算出断裂韧性数值（KIC）。 计算公式为： ，其中E为杨氏模量，例如对于Si3N4系统一般取300GPa。公式中载荷P单位为N，裂纹长度C单位为mm，显微硬度HV单位为GPa。

试样类型目前国内常用的断裂韧性试样有两种：

1）三点弯曲试样SE（B）；

2）紧凑拉伸试样C（T）。

试验方法在试样中间开一裂纹，通过三点或四点抗弯断裂测试，计算材料的断裂韧性。

测试方法比较①IM法比SENB法简便经济，但测得的数据不如SENB法可靠；

②SENB法是普遍公认的标准测试方法；

③为了实际方便，要对IM法测试公式修正，使结果更接近SENB法。

断裂韧性的工程应用金属材料的断裂韧性、裂纹扩展速率和裂纹扩展的门槛值等力学性能指标已为广大的力学测试、材料研究和金相专家所了解，并已在零部件的强度设计、新材料的研制、材料的应用研究、材料强度规律的试验研究、热处理工艺的选择以及失效分析中得到了广泛的应用。本文的目的，是围绕断裂韧性的“基本原理”和“工程应用”这两个方面，为力学、材料和金相专家们提供更全面、更深入的内容，以便在今后的试验研究和工程应用中发挥更大的效益。

金属材料的平面应变断裂韧性KIC，是在断裂力学这门学科形成后提炼出来的一个新型的力学性能指标。而早期断裂力学的诞生则是研究防止脆性破坏的结果，因此，我们还得先谈一点有关脆性破坏的情况。

脆性破坏是机械零件失效的重要方式之一。它是在零件受载过程中，在没有产生明显宏观塑性变形的情况下，突然发生的一种破坏。由于事先没有明显的迹象，所以脆性破坏的危险性很大。

防止零部件发生脆性破坏的传统方法是：

①要求选用的材料具有一定的塑性指标δ和Ψ，并具有一定的冲击韧性Ak值。这种选材方法完全是根据零部件的使用经验来定的，它既没有充足的理论根据，又不能保证零部件工作的安全性。例如，1950年美国北极星导弹固体燃料发动机壳体在实验发射时，发生了爆炸事故，而所使用的1373MPa屈服强度的D6AC钢是经过严格检验的：其塑性和冲击韧性指标都是完全合格的。又如，我国生产的120T氧气顶吹转炉的转轴也曾经发生过断轴事故，而所使用的40Cr钢的强度、塑性和冲击韧性指标都是经过检验而达到设计要求的。

②采用转变温度的方法，对材料的转变温度提出一定的要求。由于现在的一次冲断试验，只考虑了应力集中和加大应变速率这两个因素，还没有考虑温度降低对材料脆性破坏的影响。为此，设计了系列冲击试验，即在一系列不同温度下进行冲击试验，得到Ak-T曲线和脆性断口百分率-温度T的曲线，由此确定脆性断口转变温度，常用的是FATT50。一般认为，只要零部件的实际工作温度大于材料的脆性转变FAATT50，就不会发生脆性破坏。

尽管如此，上面两种方法都还是经验性的，它们无法找到实验室中的转变温度与实际零部件的转变温度之间的转换关系。因此，按这种方法的设计和选材，要么很保守，要么照样产生脆性破坏。国内外大量的轴、转子、容器和管道、焊接结构出现的大量脆性破坏事故表明，传统的防断方法必须改变。

试验研究表明，大量的低应力脆性破坏的发生，是和零件内部存在宏观缺陷有关的。这些缺陷有的是在生产过程中产生的，如在冶炼、铸造、锻造、热处理和焊接中产生的夹杂、气孔、疏松、白点、折叠、裂纹和未焊透等；有的是在使用过程中产生的，如疲劳裂纹、应力腐蚀裂纹和蠕变裂纹等。所有这些宏观缺陷，在断裂力学中都被假设(抽象化)为裂纹，在零部件承受外加载荷时，裂纹尖端产生应力集中。如果材料的塑性性能很好，它就能使裂纹尖端的集中应力得到充分的松弛，这就可能避免脆性开裂。但是．如果由于某些原因：或是材料的塑性性能很差；或是零件尺寸很大，约束了材料的变形；或是工作温度的降低，使材料工作在转变温度以下；或是加载速率的提高，使材料塑性变形跟不上而呈脆性；或是腐蚀介质或射线辐照的作用引起材料的脆化等等，就有可能使裂纹尖端产生脆性开裂，从而造成零件的脆性破坏。

当带缺陷的物体受力时，研究其内部缺陷——裂纹附件近应力应变场情况及其变化规律，研究裂纹开裂的条件，以及裂纹在交变载荷下的扩展规律等内容，就形成了一门新的学科——断裂力学。4

研究进展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。一方面由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。若缺陷位于焊接部位，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性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。

Hauge和Thualow分别采用Weibull分布、LogNormal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、LogNormal分布和Neville分布都适宜拟合这些数据。

②90%置信限的中位期望值可较好地由LogNormal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，LogNormal吻合更好。

③对于小子样，LogNormal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LogNormal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。

本词条内容贡献者为:

张磊 - 副教授 - 西南大学