材料韌性
關注創建者：果凍啊 創建時間：2019-03-01
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ABAQUS-裝甲鋼的夏比沖擊試驗-基于Johnson cook本構模型（一步步照做100%可重現）
吸收功值(焦耳)大，表示材料韌性好，對結構中的缺口或其他的應力集中情況不敏感。對重要結構的材料近年來趨向于采用更能反映缺口效應的V形缺口試樣做沖擊試驗。 Johnson-Cook 材料模型及失效模型 JC模型的公式是基于實驗得到的。
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以凝膠和彈性體為代表的軟材料經常以薄膜的形式應用于諸多領域。典型的例子包括粘結層、涂層、離電器件、軟體機器人、細胞培養支架以及柔性顯示等。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。
展開 韌性，表示材料在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力。韌性越好，則發生脆性斷裂的可能性越小。是指材料受到使其發生形變的力時對折斷的抵抗能力，其定義為材料在破裂前所能吸收的能量與體積的比值。
材料變形時吸收變形力的能力。
材料的斷裂前吸收能量和進行塑性變形的能力。與脆性相反，材料在斷裂前有較大形變、斷裂時斷面常呈現外延形變，此形變不能立即恢復，其應力--形變關系成非線性、消耗的斷裂能很大的材料。
通常以沖擊強度的大小、晶狀斷面率來衡量。韌性是表示材料在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力。韌性越好，則發生脆性斷裂的可能性越小。韌性的材料比較柔軟，它的拉伸斷裂伸長率、抗沖擊強度較大；硬度、拉伸強度和拉伸彈性模量相對較小。而剛性材料它的硬度、拉伸強度較大；斷裂伸長率和沖擊強度就可能低一些；拉伸彈性模量就較大。彎曲強度反應材料的剛性大小，彎曲強度大則材料的剛性大，反之則韌性大。在ASTMD790彎曲性能標準試驗方法中說，這些測試方法適合于剛性材料也適合于半剛性材料。未說它適合于韌性材料，所以韌性很大的彈性體是不會去測試彎曲強度的。以上說的韌性和剛性與測試的力學性能關系是相對的。可能會出現意外。例如用玻纖增強塑料后，它的剛性變大，但也可能出現拉伸強度和沖擊強度都增加的可能。
在沖擊，震動荷載作用下，材料可吸收較大的能量產生一定的變形而不破壞的性質稱為韌性或沖擊韌性。建筑鋼材(軟鋼)、木材、塑料等是較典型的韌性材料。路面、橋梁、吊車梁及有抗震要求的結構都要考慮材料的韌性。剛性和脆性一般是連在一起的。脆性是指當外力達到一定限度時，材料發生無先兆的突然破壞，且破壞時無明顯塑性變形的性質。脆性材料力學性能的特點是抗壓強度遠大于抗拉強度，破壞時的極限應變值極小。磚、石材、陶瓷、玻璃、混凝土、鑄鐵等都是脆性材料。
展開 近期的材料力學性能數據庫中收錄的部分材料中有一些是有纖維方向斷裂韌性的，歡迎大家點擊“材料庫”菜單查閱。
文章轉載自“復合材料力學”微信公眾號，原文鏈接如下：
復合材料纖維方向斷裂韌性的測量方法
復合材料的斷裂和韌性.ppt
研究發現，該非晶合金及復合材料具有優異斷裂韌性主要歸因于熱噴涂產生的扁平狀層間結構，阻礙裂紋貫穿性擴展，從而提高材料的斷裂韌性。在此基礎上，輔以預制模板，就可以打印出形狀較為復雜的三維非晶零件。相比于傳統激光3D打印技術，TS3DP技術具有更高的3D打印效率（是激光3D打印的4-10倍）。本研究成果不僅提供了一種制備大尺寸、高韌性非晶合金及復合材料的新方法，也為促進高性能非晶合金及復合材料的工業應用奠定基礎。
【圖文導讀】
圖1. 熱噴涂3D打印技術原理示意圖以及大尺寸Fe基非晶合金及復合材料樣件
圖2. 熱噴涂3D打印成形非晶合金及復合材料的顯微結構表征（SEM、TEM）
圖3. 熱噴涂3D打印非晶合金及復合材料的壓縮性能與斷裂韌性
圖4. 熱噴涂3D打印非晶合金及復合材料的斷裂與增韌機理分析
圖5. 采用模板輔助熱噴涂3D打印技術制備的形狀復雜的非晶合金及復合材料構件
【小結】
在這個工作中，研究人員開發出一種新型熱噴涂3D打印技術，成功制備出大尺寸Fe基非晶合金及其復合材料，該材料具有高強度（>1.8 GPa）及良好的斷裂韌性（13-21 MPa 1/2）。
在此基礎上，輔以預制模板，打印出形狀較為復雜的三維非晶零件。本研究成果不僅提供了一種制備大尺寸、高韌性非晶合金及復合材料的新方法，也為促進高性能非晶合金及復合材料的工業應用奠定基礎。該研究得到了國家自然科學基金項目（51531003；51471074）以及科技部973項目（2015C856801）等資助。
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塑料材料由于韌性較差，拉伸試驗中基本沒有明顯的屈服階段，工程設計中常以產生0.2%殘余應變時的應力作為條件屈服極限。
抗拉強度是材料應力值的極限點，超過此值材料即被判定破壞失效。斷裂延伸率則是抗拉強度所對應的應變值，塑性應變值超過斷裂延伸率時，材料同樣被視為失效。
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。
能量釋放率的加載模式
這為工程實踐中不同的失效模式（突然斷裂、疲勞破壞、應力松弛開裂）提供了統一的分析框架。
應用場景?：高剛性材料適合結構支架、齒輪等負載部件；高韌性材料用于包裝汽車、家電等領域常采用改性復合材料實現剛韌平衡。
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實際應用與注意事項
在工程中，彎曲性能測試幫助優化材料配方和工藝。例如，PPS因其耐熱性和高模量，常用于電子元件和汽車零部件；而柔性塑料在折疊屏設備中需兼顧彎折性和抗折痕性，可能需結合金屬加固層。
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圖 ４ 改變不同參數拉伸單單元測試結果
3.2 MAT _58 關鍵參數捕捉
1）等效失效應變（ERODS）的標定
ERODS與材料的斷裂韌性（即抵抗裂紋擴展的能力）密切相關。本研究通過雙邊缺口拉伸（DENT）試驗來標定該參數。
制備特定幾何的帶缺口試樣進行拉伸，獲得其載荷-位移曲線與峰值載荷（平均約11,511 N）。
速度越慢，材料韌性越佳。
2. 診斷“彈性衰減”——看是否“疲軟”
壓縮永久變形率測試：
在測試前，測量試樣一段的原始長度（L0）。
測試后，讓試樣自由恢復一段時間（如24小時），再測量其長度（L1）。
計算變形率：永久變形率 = (L0 - L1) / L0 × 100%。
結論：此百分比值直接反映了彈性的喪失程度。
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。
在玻璃纖維、碳纖維等填充材料中，需根據產品要求調整短纖維和長纖維的比例，以達到最佳的材料強度和韌性。
三、DEMms軟件模擬顆粒最密堆積問題
顆粒、粉料的級配通常依賴經驗或者實驗手段解決，但以經驗或實驗形成的級配方案并不一定是最優方案，且在材料、粒徑多樣的情況下會帶來高昂的實驗成本。采用計算機仿真手段，可以有效輔助優化顆粒級配模型，降低實驗成本，縮短產品開發周期。
沖擊強度（如Izod、Charpy）是材料韌性的體現，尤其對缺口敏感。沖擊強度高的材料（如PC、 toughened-PP）往往具有良好的延展性。注塑工藝對最終制品的沖擊強度有決定性影響。內應力是韌性的頭號殺手。過快的充填速度、過早的澆口凍結、不充分的保壓、過低的模溫都會導致分子鏈高度取向和凍結，產生巨大內應力，使原本韌性良好的材料變得脆而易裂。
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</div><p>2、韌性與結構穩定性分析：試驗機可在彎折過程中，利用傳感器實時監測材料的應力 - 應變曲線，分析材料的韌性
2、韌性與結構穩定性分析：試驗機可在彎折過程中，利用傳感器實時監測材料的應力 - 應變曲線，分析材料的韌性。同時，觀察材料在多次彎折后的結構變化，如是否出現分層、脫粘等現象，評估其結構穩定性。對于多層復合結構的柔性屏，如包含有機發光層、電極層等，結構穩定性分析有助于優化各層材料的匹配與界面結合力。
