斷裂韌性
關注創建者：琳泓comsol 創建時間：2019-01-30
斷裂韌性的視頻教程
ABAQUS 三維斷裂韌性--應力強度因子
運用ABAQUS，模擬運算在特定的載荷（此載荷為三點彎曲試驗中測定的斷裂載荷）作用下，在預制裂紋的情況下，模擬產生的極限應力強度因子，與理論計算的斷裂韌性進行比較，確定誤差。 運用有限元擴展XFEM技術，計算出三維裂紋在載荷作用下的應力強度因子。
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Abaqus 復合材料VUMAT子程序詳解（更新完畢）
章節5：分分鐘創建適用于復合材料子程序的沖擊損傷模型 章節6：復合材料結構常用的三種剛度退化方式 章節7：如何調試Abaqus子程序 章節8：網格依賴性與單元特征長度(characteristic length) 章節9：基于能量（斷裂韌性）演化的三維復合材料vumat子程序（不提供源代碼及模型文件） 章節10：斷裂韌性退化方式中單元特征長度注意事項 章節11：兩種及以上自定義
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斷裂韌性的實例教程
熟悉Abaqus內嵌的二維hashin漸進失效模型的同學都知道，在判斷損傷起始以后，需要依據材料的斷裂韌性對剛度進行退化，如下圖所示。
上述表格中的數據即為材料不同方向拉壓開裂時的斷裂韌性，在Hashin漸進失效模型中，四個斷裂韌性的數值分別用于求解四個失效位移值，如下圖所示。
以纖維方向拉斷為例，Gft為纖維方向拉斷對應的斷裂韌性，XT為單向板0°方向的拉伸強度，根據這兩項就可以推出其失效位移為：
一般的，對于基體的斷裂韌性我們可以通過雙懸臂梁實驗（DCB實驗，參見標準ASTM5528）來測得I型斷裂韌性。或者通過ENF試驗來測得II型斷裂韌性。
DCB實驗示意圖
ENF實驗示意圖
目前在文獻或者試驗標準中看到的都是針對基體或者界面的測試方法，很少有人去測試垂直纖維方向斷裂時的斷裂韌性。
本文將簡單介紹一下沿纖維方向斷裂時的斷裂韌性測試方法，文獻中能夠查找到的大多都是基于CT和CC試樣，下圖所示是拉伸斷裂時的斷裂韌性測試方法及建議的試件尺寸，其參考的試驗標準是ASTM E399。
CT試樣示意圖
類似的，當測試壓縮斷裂韌性時，采用CC試樣，其參考試驗標準是ASTM E1820，如下圖所示。
CC試樣示意圖
纖維方向開裂時的斷裂韌性一般要遠大于基體開裂時的斷裂韌性，例如，文獻中的纖維拉伸斷裂韌性大約在50-150N/mm之間，而基體斷裂韌性大約在0.2-1.5N/mm之間，相差可以達百倍。
上述實驗在實際操作過程中是很容易失敗的，因為基體強度很低，即使按照試驗標準建議的尺寸加工試件，在測試時，有可能會出現裂紋90°拐折，導致測不出纖維拉斷或壓斷時的斷裂韌性，因此對試件的加工要求很高，感興趣的可以嘗試一下，國內測試這類數據的還是很少的。
展開 這些材料在應用過程中，其斷裂韌性是一個非常重要的力學參數。通常情況下，材料的斷裂韌性被認為是一個材料常數。它不依賴于材料的幾何形狀和加載方式。
圖1：軟材料的180°剝離實驗
近日，哈佛大學鎖志剛院士課題組關于軟材料斷裂韌性的研究有了新的發現。研究人員以彈性體為模型材料，使用180°剝離實驗測量軟材料的斷裂韌性（圖1）。在未變形狀態下，彈性體的長度為L、厚度為H、寬度為B。在固化過程中，使用低粘性的薄膜在彈性體中引入一個長度為C的預制裂紋（圖1a）。將可彎曲但不可拉伸的背膜粘在試件的上下兩面。試件通過拉伸機進行加載(圖1b)。在加載過程中，兩個加載臂在豎直方向呈一條直線。載荷傳感器記錄剝離力F(圖1c)。剝離力從零開始逐漸增加。這對應著裂紋尖端的鈍化過程。當裂紋穩定擴展時，剝離力穩定在一個平臺，記作Fss。材料的韌性通過Γ=2Fss/B 計算得到。當B/H比較大時，彈性體的裂紋尖端在剝離過程中處于平面應變狀態 (圖1d)。當B/H比較小時，彈性體的裂紋尖端在剝離過程中處于平面應力狀態 (圖1e)。
研究人員首先固定樣品的厚度H，測量不同寬度B的樣品的剝離韌性。實驗結果如圖2所示。可以看到，當試件的寬度B比較小時，材料的斷裂韌性隨寬度B增加而增加。當試件的寬度B比較大時，材料的斷裂韌性隨寬度B增加保持不變。寬度大的試件測得的材料韌性比寬度小試件測得的材料韌性高出一個數量級。
圖2：斷裂韌性隨試件寬度B變化
材料的斷裂韌性隨寬度增加這一現象可以作如下解釋。考慮斷裂過程區中的一個物質點。這一點的應力在試件的加載方向上不為零。
展開 復合材料的斷裂和韌性.ppt
雖然斷裂韌性值大大方便了每種鋼的選擇，然而這些參數很難適用于所有鋼材。
主要原因有：
第一，因為在鋼的冶煉時需加入一定數量的某種或多種合金元素，成材后再經簡單熱處理便可獲得不同的顯微組織，從而改變了鋼的原有性能；
第二，因為煉鋼和澆注過程中產生的缺陷，特別是集中缺陷（如氣孔、夾雜等）在軋制時極其敏感，并且在同一化學成分鋼的不同爐次之間，甚至在同一鋼坯的不同部位發生不同的改變，從而影響鋼材的質量。
由于鋼材韌性主要取決于顯微結構和缺陷的分散（嚴防集中缺陷）度，而不是化學成分。所以，經熱處理后韌性會發生很大變化。要深入探究鋼材性能及其斷裂原因，還需掌握物理冶金學和顯微組織與鋼材韌性的關系。
1.鐵素體-珠光體鋼斷裂
鐵素體-珠光體鋼占鋼總產量的絕大多數。它們通常是含碳量在0.05%～0.20%之間的鐵-碳和為提高屈服強度及韌性而加入的其它少量合金元素的合金。
鐵素體-珠光體的顯微組織由BBC鐵（鐵素體）、0.01%C、可溶合金和Fe3C組成。在碳含量很低的碳鋼中，滲碳體顆粒（碳化物）停留在鐵素體晶粒邊界和晶粒之中。但當碳含量高于0.02%時，絕大多數的Fe3C形成具有某些鐵素體的片狀結構，而稱為珠光體，同時趨向于作為“晶粒”和球結（晶界析出物）分散在鐵素體基體中。含碳量在0.10%～0.20%的低碳鋼顯微組織中，珠光體含量占10%～25%。
盡管珠光體顆粒很堅硬，但卻能非常廣泛地分散在鐵素體基體上，并且圍繞鐵素體輕松地變形。通常，鐵素體的晶粒尺寸會隨著珠光體含量的增加而減小。因為珠光體球結的形成和轉化會妨礙鐵素體晶粒長大。因此，珠光體會通過升高d-1/2（d為晶粒平均直徑）而間接升高拉伸屈服應力δy。
從斷裂分析的觀點看，在低碳鋼中有兩種含碳量范圍的鋼，其性能令人關注。
展開 Abaqus中韌性金屬失效分析需要定義c點的損傷初始化準則，以及cd段的損傷演化（損傷后材料剛度退化路徑）。材料軟化后可持續承載，直到達到d點，材料失效，失去承載能力。
圖1-韌性金屬的全載荷區間應力-應變曲線
圖2-韌性金屬的損傷準則
ABAQUS為韌性金屬提供不同的損傷初始化準則，大致分為兩種類型：
金屬裂紋的損傷初始化準則，包括韌性準則（ductile damage、Johnson-Cook damage）和剪切準則（shear damage）。也就是圖2中紅框內的三個準則，它們都屬于金屬承載后產生裂紋的準則。
金屬板的徑縮不穩定損傷初始化準則，包括幾種成形極限圖，用于評估鈑金件的可成形性。也就是紅框外的幾個準則，不在本文討論范圍。
圖3-漸進損傷失效分類【摘自Abaqus材料本構模型導圖，完整版鏈接】
····································常見問題解答····································
······Q1: 韌性準則和剪切準則有何不同？
······A1: 韌性金屬開裂有兩種主要機理，基于唯象觀察，仿真模擬這兩種機理時用到不同的損傷起始準則（hooputra2004）：
機理1，由于內部（微裂紋）的成核、生長和孔隙的聚集產生的韌性斷裂，這種情況下ductile damage、Johnson-Cook damage兩種韌性準則是適用的，常見于拉伸工況。
圖4-機理1韌性斷裂
機理2，由于剪力帶局部化產生的剪切斷裂，這時shear damage比較適合，常見于剪切工況。
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經典GTN模型認為，材料斷裂主要源于微孔的形核、長大與聚合，因此它更適合描述以拉伸三軸應力為主導的韌性斷裂。但這篇文章研究的對象是厚度僅0.084 mm的AISI 440B超薄不銹鋼板。實驗發現，這類材料在沖裁時并沒有表現出典型的“微孔充分長大后再斷裂”的特征，而是呈現出更明顯的撕裂失效與剪切主導破壞特征。也就是說，當板厚進入超薄尺度后，傳統GTN模型已經難以完整解釋實際斷裂機制。
樣品A表現出均勻線性的生長模式，形成均一厚晶片網絡，賦予材料高剛性；樣品B則呈現短鏈支化單體定向嵌入超長分子骨架的特征，形成稠密的系帶分子緩沖網絡，造就了其較好的斷裂韌性和流變彈性。
國高材分析測試中心檢測技術服務
本次基于茂金屬聚乙烯的多維交叉分級分析，是國高材分析測試中心在微觀結構解析領域的典型應用。
材料抵抗裂紋擴展的能力，則對應一個臨界值——斷裂韌性Gc 。
研究進一步區分了三種典型的載荷場景：
單調加載：一次撕裂，對應材料的極限韌性Gc 。
循環加載：往復疲勞，對應更低的“疲勞門檻值Gth ”，決定了材料在長期動態載荷下的壽命。
靜態加載：長期持載，研究蠕變開裂行為。
結合基于Bazant裂紋帶模型的理論公式，可以計算出材料的面內纖維方向斷裂韌性 Gic。
對于本案例研究的CFRP材料，當單元尺寸為2mm、SLIMT1取0.2時，計算得到對應的ERODS值為 0.56（表3）。這為仿真提供了基于物理斷裂機制的失效準則輸入。
雖然在材料的粘彈性范圍內的力學特性并不準確，但不影響整個材料的韌性和斷裂伸長率等特性。
(4)
其中，εP為塑性應變；εE為彈性應變；σT為真實應力；E為假定的彈性模量。
利用參數優化軟件對有效應力-有效塑性應變曲線設定的控制參數進行優化，獲得優化后的應力-應變曲線。圖4a,c和e所示的是優化前后的有效應力-有效塑性應變曲線。
統計圖7中3種試件的拉伸強度和破壞應變數據可知，當加載模式由準靜態逐漸轉變為高應變率加載時，試件斷裂失效模式由脆性斷裂逐漸向韌性斷裂轉變。
圖7 玻璃纖維方向不同的玻璃纖維增強 PC 復合材料在不同應變率下的工程應力-工程應變曲線
在同一應變率下，玻璃纖維方向為 0°的試件的拉伸強度高于另外兩種試件，而破壞應變低于其他兩種試件。
斷裂韌性（Fracture Toughness）：
層間斷裂韌性（GIC, GIIC）： 分別衡量材料抵抗I型（張開型）和II型（滑開型）層間裂紋擴展的能力。
（三）彎曲力學測試設備：模擬材料彎曲載荷下的性能表現
彎曲力學測試設備通過對試樣施加垂直于其軸線的彎曲力，檢測材料的抗彎強度、抗彎彈性模量、彎曲撓度、斷裂韌性等指標，適用于需評估材料在彎曲工況下性能的場景：
建筑與結構材料領域：對鋼筋、木材、水泥梁等結構材料進行彎曲測試，判斷其在建筑結構中承受彎曲載荷（如樓板承重、橋梁受彎）時的性能。
沖擊試驗機能進行哪些性能測試?9個月前
可結合斷口分析（如通過顯微鏡觀察斷裂面），深入研究材料的斷裂機制（如解理斷裂、韌性斷裂）。
3. 低溫沖擊測試（低溫脆性評估）
許多材料（如金屬、塑料）在低溫下會變脆，抗沖擊性能顯著下降。沖擊試驗機可配合低溫裝置（如液氮冷卻箱），在指定低溫環境（如 - 40℃、-60℃）下測試材料的沖擊性能。
典型應用：嚴寒地區使用的管道、車輛零部件的低溫韌性驗證。
平面應力脆性斷裂相場AT2模型10個月前
（4）添加UEL和可視化UMAT單元的性質
其中UEL的單元性質分別是楊氏模量、泊松比、斷裂韌性、相場特征寬度值、保證數值穩定性的小值、平面應力問題中的厚度值
UMAT的材料性質為楊氏模量、泊松比和單元總個數，其中楊氏模量設置為一個極小的值，不同job需要修改單元總個數的值。狀態變量的個數設置為8.
