韌性
關注創建者：lin_1659 創建時間：2021-04-06
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-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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韌性的實例教程
與韌性材料相比，它們對抵抗沖擊荷載和承受震動作用是相當不利的。作為工程塑料，我們希望它同時具有良好的韌性和剛性。在改善材料的韌性時，還應設法提高剛性。一般加入彈性體可增加韌性，加入無機填料可增加剛性。最有效的方法是將彈性體的增韌和填料的增強結合起來。
韌性分類
斷裂韌性
斷裂韌性材料阻止宏觀裂紋失穩擴展能力的度量，也是材料抵抗脆性破壞的韌性參數。它和裂紋本身的大小、形狀及外加應力大小無關。是材料固有的特性，只與材料本身、熱處理及加工工藝有關。是應力強度因子的臨界值。常用斷裂前物體吸收的能量或外界對物體所作的功表示。例如應力-應變曲線下的面積。韌性材料因具有大的斷裂伸長值，所以有較大的斷裂韌性，而脆性材料一般斷裂韌性較小。
沖擊韌性
沖擊韌性是反映金屬材料對外來沖擊負荷的抵抗能力，一般由沖擊韌性值（ak）和沖擊功（Ak）表示，其單位分別為J/cm2和J（焦耳）。沖擊韌性或沖擊功試驗（簡稱"沖擊試驗"），因試驗溫度不同而分為常溫、低溫和高溫沖擊試驗三種；若按試樣缺口形狀又可分為"V"形缺口和"U"形缺口沖擊試驗兩種。沖擊韌度指標的實際意義在于揭示材料的變脆傾向。
沖擊韌度ak表示材料在沖擊載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力。ak值的大小表示材料的韌性好壞。一般把ak值低的材料稱為脆性材料，ak值高的材料稱為韌性材料。ak值取決于材料及其狀態，同時與試樣的形狀、尺寸有很大關系。ak值對材料的內部結構缺陷、顯微組織的變化很敏感，如夾雜物、偏析、氣泡、內部裂紋、鋼的回火脆性、晶粒粗化等都會使ak值明顯降低；同種材料的試樣，缺口越深、越尖銳，缺口處應力集中程度越大，越容易變形和斷裂，沖擊功越小，材料表現出來的脆性越高。因此不同類型和尺寸的試樣，其ak或Ak值不能直接比較。
展開 然而，塑料制品在使用過程中常常面臨沖擊、跌落、疲勞等動態載荷作用，若材料韌性不足，則可能導致脆性斷裂、裂紋擴展甚至產品失效。因此，塑料的韌性（Toughness）成為衡量其可靠性和使用壽命的關鍵指標之一。
韌性是指材料在斷裂前吸收能量的能力，它綜合反映了材料的強度和延展性。高韌性塑料在受到沖擊時能夠通過塑性變形分散應力，避免突然斷裂；而低韌性塑料則可能在輕微沖擊下發生脆性破壞，影響產品性能和安全。例如：
汽車保險杠需要高韌性以吸收碰撞能量，保護車內人員安全；
電子產品外殼需具備一定韌性，防止跌落時開裂；
食品包裝薄膜需兼具柔韌性和抗穿刺性，避免運輸過程中破損。
那么，如何科學評價塑料的韌性？沖擊性能測試是最常用的方法之一。本文將系統探討塑料韌性的重要性、影響因素、評價方法，并結合實際案例解析如何優化塑料的韌性性能。
塑料韌性的本質
韌性與剛性是塑料材料的兩個重要性能指標，它們之間存在一定的對立關系。剛性大的材料通常不易變形，但韌性較差；而韌性好的材料雖然容易變形，但抗沖擊能力更強。例如，玻璃纖維增強塑料的剛性較高，但其沖擊強度可能不如未增強的塑料。因此，在實際應用中，通常需要通過合理的改性方法來平衡韌性和剛性，以滿足不同應用場景的需求。
塑料韌性的影響因素
1. 基體樹脂的特性
研究表明，提高基體樹脂的韌性有利于提高增韌塑料的增韌效果，提高基體樹脂的韌性可通過以下途徑實現：
增大基體樹脂的分子量，使分子量分布變得窄小；通過控制是否結晶以及結晶度、晶體尺寸和晶型等提高韌性。例如，PP中加入成核劑提高結晶速率，細化晶粒，從而提高斷裂韌性。
2. 增韌劑的特性和用量
①. 增韌劑分散相粒徑的影響——對于彈性體增韌塑料，基體樹脂的特性不同，彈性體分散相粒徑的最佳值也不相同。
展開 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 而這些領域通常需要材料具有高韌性和低滯后性。高韌性可以消耗較多的能量來抵抗裂縫生長，低滯后性可以在拉伸和恢復過程中耗散較少的能量。然而，因為韌性和滯后是由不同的能量耗散機制引起的，通常具有相關性，難以同時滿足這兩個要求。
高度拉伸的單一聚合物網絡彈性體或水凝膠具有低滯后性和低韌性。可以通過引入犧牲鍵、纖維或多重聚合物網絡的方法來提升單一聚合物網絡的韌性。這些方法可以有效平衡韌性和滯后的關系。在含有犧牲鍵的材料中，無論是否可修復，當負載的大小超過某一閾值時，裂縫也會隨著拉伸循環不斷地生長，產生所謂的疲勞斷裂，使拉伸時的應力-應變行為復雜化，不利于在機器人、傳感器和致動器中的實際應用。
美國哈佛大學John A. Paulson工程與應用科學學院的鎖志剛教授課題組打破了韌性與滯后的相關性，提出了一種在不引入犧牲鍵的前提下，同時實現高韌性和低滯后性的策略——即采用具有強粘結力的低彈性模量基體和高彈性模量纖維組成復合材料。有趣的是，采用的基體和纖維都具有低滯后（5％）和低韌性（300 J/m2），而其復合材料卻體現低滯后和高韌性（10,000J/m2）。基體和纖維都易于發生疲勞斷裂，而復合材料具有高度抗疲勞性。相關工作以“Stretchable materials of high toughness and low hysteresis”為題，發表在《PNAS》上，第一作者王正錦博士。
研究者首先利用制備聚二甲基硅氧烷（PDMS）的復合材料來實現這一策略。材料前驅體分為基體（A）和固化劑（B），定義重量比為A/B = 10/1為“硬PDMS”，并將固化劑含量更小的樣品稱為“軟PDMS”。研究者將硬PDMS薄膜切割，充當纖維，再與軟PDMS混合固化，形成復合材料，并用紅色對基體進行著色，以便觀察樣品中的纖維和裂紋輪廓。
展開 
韌性的最新內容
符合ASME和Eurocode標準的構件和焊接強度驗證，能夠確保材料在預期應力源下保持韌性。
符合EN 13001和Eurocode 3標準的疲勞標準檢查，非常適合循環載荷環境。
該軟件支持廣泛的參數化，使用戶能夠根據特定項目要求快速配置驗證流程。此外，自動化工作流程可簡化合規性驗證流程，確保速度和可靠性。
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。
拉伸強度達118Mpa，拉伸模量3.1Gpa，產品具有高韌性。
絕緣性能優異：JSJHTPI-02介電常數3.4，在23℃，體積電阻為10-16，可為電子設備筑牢安全屏障。
安全環保靠譜：JSJHTPI-02自熄性強、發煙率低，在高溫、高真空及輻照環境下穩定無揮發，適配嚴苛環保要求。
在拉伸階段，樣品B的斷裂伸長率達到1345.4%，破壞韌性（218.6 MJ/m3）明顯高于樣品A（120.9 MJ/m3）。總體而言，樣品A偏向高剛性，而樣品B表現出更好的剛度與韌性平衡。
▲ 圖5：樣品A與B的流變性能。
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。
材質建議選用QT600及以上等級球墨鑄鐵，抗拉強度達600MPa，沖擊韌性≥15J/cm2，比HT300材質承重能力提升40%，可有效抵御瞬時沖擊載荷。結構上采用“加厚邊框+高密度十字筋板+箱型封閉框架”一體化鑄造，進一步提升平臺剛性，彌補單純厚度不足的短板，實現“厚度合理、結構補強、承重拉滿”的效果。
同時舉辦逾20場行業論壇、發布權威行業報告，以協同之力彰顯行業韌性、賦能產業升級。值此10月黃金采購季，我們誠摯邀請您蒞臨本次展會，與全球行業同仁攜手拓展市場機遇，共創禮品行業發展新價值！
主辦介紹
勵展華博展覽（深圳）有限公司是中國禮品家居行業有影響力的展會主辦機構，也是英國勵展博覽集團（國際領先的展覽及會議主辦機構）的成員公司。
如果承受很大沖擊或振動，可以考慮球墨鑄鐵（如QT400），它的韌性更好。
是否需要輔助設計：如果需要用螺栓固定工件或夾具，一定要選帶有T型槽的平臺，并指和定好T型槽的規格和間距。
品牌與服務：選擇有信譽的廠家，可以索要他們的出廠檢驗報告。
我們摒棄普通鑄鐵，精選高強度、高韌性的灰口鑄鐵或球墨鑄鐵，其含碳量、含硅量、雜質含量均經過嚴格檢測，確保材料具有良好的耐磨性、抗震性和尺寸穩定性，從根源上減少因材料缺陷導致的精度變形。原材料進場前，需經過光譜分析、硬度檢測、金相試驗等多道檢驗工序，不合格材料堅決拒收，為后續精度控制筑牢一道防線。
球墨鑄鐵 (QT)：強度和韌性更好，適合重載或對變形要求相當高的場合。
為消除內應力、防止變形，出廠前需經過人工退火和自然時效處理
槽寬決定螺栓規格（常用M12-M30，槽寬比螺栓直徑大4-6mm）。槽距通常為150mm-300mm。
精度等級通常分為0級、1級、2級等，等級數字越小，平面度越高
選型小貼士：
負載估算：單根地軌的承載能力有限。
