脆性材料
關注創建者：咫尺天涯妖 創建時間：2016-12-29
脆性材料的視頻教程
【教程】ABAQUS冰球沖擊復合材料（CFRP）層合板SPH并行計算建模
該教程核心示范脆性材料失效準則關鍵字設置、SPH并行計算中node-based surface 的CAE處理辦法。
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abaqus巴西劈裂試驗仿真
劈裂試驗是在圓柱體試件（巖石、混凝土等脆性材料）的直徑方向上放入上下兩根墊條，施加相對的線性荷載，使之沿試件直徑向破壞，測得試件的抗拉強度。 劈裂試驗，最早由巴西人提出，所以也叫巴西劈裂試驗，呈常用于測試巖石、混凝土等脆性材料的抗拉強度。 很多土木有關專業的本科生做畢設的時候， 會被老師要求做巴西劈裂試驗的仿真。 也有一些研究生做研究的時候，也會用到巴西劈裂的仿真。
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Abaqus調用內置JH2本構進行切削仿真
通過調用Abaqus內置的JH2本構子程序進行脆性材料的切削仿真, 參數設置參考Abaqus內置JH2本構子程序介紹 － 技術鄰 (jishulink.com)
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脆性材料的實例教程
模型分享001——線鋸往復磨削脆性材料 ￥9.9
硬脆材料具有高強度、高硬度、隔熱性好和化學穩定性好等優點,同時也耐高溫和腐蝕,因此它的應用越來越廣泛,對脆性材料的晶片表面質量要求也越來越高。但由于脆性高、塑性和斷裂韌性低等原因,導致脆性材料的加工非常困難。金剛石線鋸切割是一種新興的、能有效切割硬脆材料的加工方法,其具有較低的成本、鋸口損耗與環境污染,同時可以獲得更窄的切縫,因此已經成為發展最快、被使用最多的一種硬脆材料切割方法。在金剛石線鋸切割加工中,影響脆性材料晶片表面質量的因素很多,如線鋸速度、工件的進給即線鋸的張力等。
仿真中以固結金剛石磨粒線鋸的往復式切割過程為背景,分析晶片表面應力分布情況以及形貌的生成效果。
文件介紹：CAE文件里面一共四個Model，點擊Job里面的任務就可以進行計算，模型里面既有單方向運動也有往復運動，具體是哪種運動可以有分析步得知；
幾何模型及網格：
材料屬性：
分析步：
邊界位移
仿真結果：
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展開 1992年Johson和Holmquist首次提出用于脆性材料的JH1模型，隨后于1994年提出在JH1基礎上改進型的JH2模型。JH2模型包括應變率、靜水壓力以及與損傷相關的強度模型和多項式形式的狀態方程。它是在JH1模型基礎上，加入強度的連續損傷劣化效應來描述材料的梯度破壞過程。加載過程中材料首先表現為彈性性質，直到應力水平達到材料的屈服極限，材料開始發生損傷。隨著損傷的逐漸積累，脆性材料發生劣化，最終完全破碎。
JH2強度模型是將材料的等效應力表示成靜水壓力的冪函數形式并且與應變率和損傷因子Ｄ相關，其中定義的歸一化強度模型為
當材料未發生損傷D=0時，歸一化等效應力可以表示為
當材料完全破碎D=1時，歸一化等效應力為
p*為歸一化靜水壓力
由裂紋導致的損傷
其中
裂紋產生前靜水壓力為
裂紋產生后需要加入壓力增量ΔP
其中
Abaqus自帶的材料模型中并沒有JH2本構，但是其提供了內置的子程序以供調用。使用內置子程序需要以ABQ_JH2_作為前綴，比如ABQ_JH2_GLASS。JH2的材料設置時，一共由8個狀態變量，第8個狀態變量控制網格刪除。各變量的含義如下。
材料屬性的含義如下
下圖為通過JH2本構進行的相關的沖擊模擬
此外，本貼根據JH2本構的相關理論，編寫了JH2本構的VUMAT子程序，并對脆性材料的SHPB試驗進行了模擬，以下是相關的結果。
試驗件失效示意圖
入射和透射桿上的應變響應
有關于abaqus子程序開發的相關問題可以聯系公眾號。
展開 我用的材料是顆粒增強復合樹脂，延伸率只有2％，屬于脆性材料
A：我也正在用MARC做斷裂分析,不知道你算的是什么樣的問題,如果是MODE I 斷裂模型的話,我推薦你使用能量法,MARC會為你算出J積分值的,而且對于脆性材料,其J積分值正好就是能量釋放率.我做的問題是納米涂層結構在MIXED MODE下的斷裂分析,由于摩擦的存在,J積分可能不再保持其積分路徑無關性,所以采用直接法來計算應力強度因子的,也就是用應力或位移來算SIF.聽說MARC中可以在尖端處采用特異單元來擬出應力特異性,但我不會用,所以只好通過REFINE來細分尖端區域(最小單元長度在10E-3量級就差不多了(在MODE I下.采用能量法計算的話,不用細分尖端點).然后通過應力(或位移)結果求K值,并用外插法來求出尖端點處的K值.隨裂紋成長,K和斷裂長度的關系,我用了個笨辦法.就是預先知道斷裂擴展方向的基礎上,在每個裂紋長度下計算出K值,就可以得出K和a的關系曲線了.不過很麻煩,我一共建了14個模型算的,光建模就要花費了很多時間,但結果還算可以.
我再給你介紹一種方法,供你參考.我研究室有個老頭,10年前用MARC算過纖維復合材料的單纖維push-out問題,他在纖維和基體的界面處,用用戶自定義TYING進行約束,然后在UFORM子程序中給出TYING拖開的條件(他是通過實驗測出最大剪應力以后,以此應力作為拖開基準的,不過好象不準),這樣,就可以實現在加載過程中裂紋自動擴展.但大前提仍然是事先預測好擴展方向.我本來想試試,不過我這的MARC好象安裝有問題,子程序的compiler總是不行.
展開 脆性是無機非金屬材料的一個共同的致命的弱點，陶瓷的脆性，其直觀表現是：在外加負荷下，斷裂是無先兆的，暴發的。間接表現是:抗機械沖擊性和溫度急變性差。脆性，也是衡量陶瓷材料性能的重要特征之一，是陶瓷材料的致密弱點。
陶瓷脆性的本質主要由化學鍵性質和晶體結構所決定，在陶瓷中缺少獨立的滑移系，材料一旦處于受力狀態就難于通過滑移所引起的塑性形變來松弛應力。從顯微結構上看，脆性的根源在于微裂紋的存在，易于引起應力高度集中，繼而微裂紋擴展以致斷裂。
陶瓷材料的脆性特征：
1、共價鍵特征
陶瓷材料中組成化學鍵的原子間有許多空隙，難以引起位錯的移動。
共價鍵有方向性，會使晶體結構復雜，且具有較高的抗畸變和阻礙唯一運動的能力。
2、顯微結構特征
陶瓷材料屬于多晶體，為多相結構，它的晶界會阻礙位移，聚集的位移會引起裂紋的形成，加上實際晶體結構中點、線、面缺陷的存在，且其內部還存在顯微和亞顯微裂紋，其結構上的不均勻性更是在所難免。
此外，晶界、氣孔、晶相、二相夾雜以及裂紋等顯微結構因素，都能導致陶瓷材料呈現脆性。
3、無塑變特征
常溫下大多數陶瓷材料在外力作用下沒有或只有很小的塑性變形，這就導致陶瓷材料斷裂時都比較突然，即呈現出脆性。
脆性斷裂是當材料受力后將在低于其本身結合強度的情況下作應力再分配，而外加應力的速率超過應力再分配的速率時沒有其它吸收能量的過程，應力無法松弛，則集中用于裂紋的擴展上，使得擴展速度十分迅速，最終導致突發性破壞。脆性斷裂是裂紋擴展的終結。
顯微結構與脆性的關系：
1、晶粒尺寸與裂紋
由于陶瓷制備工藝的復雜性，晶內裂紋的存在幾乎不可避免，減少晶粒尺寸可以使陶瓷材料脆性得到改善。
晶粒尺寸減小，晶粒增多，會加大裂紋擴展的阻力。
展開 brittle cracking主要是用來描述脆性材料，包含混凝土、玻璃。這個材料模型的只能用在abaqus的explicit模塊，主要用于tensile cracking，假設壓縮的部分是線彈性材料，只能跟線彈性材料來做搭配使用。
這個材料模型的有一個特性是元素內的所有積分點，如果都達到brittle cracking的時候元素的勁度才會歸零，然后它也可以用status 被隱藏起來，比較容易觀察到整個脆性材料的破裂的情況。本節就是以玻璃材料來示范brittle cracking的做法。
先從實驗看起，大概玻璃材料的話就會做一個四點彎曲實驗。四點彎曲實驗的話主要就是說它的特性中間這一段即上面跨距一段里面的范圍都是屬于一個純彎的狀況。
下圖是幾個sample的實驗數據，各位可以發現，就算是同一批玻璃材料，它的變異性還算是蠻大的，因為玻璃這個材料，它在切割的時候，它的邊緣必須去做分割處理。分割程度跟品質會嚴重的影響到玻璃的整體的強度。因為它在切割的時候表面會產生一些裂隙。這個裂隙如果只要被沒有被研磨掉，在承受這個實驗的時候，就很容易會因為這個裂隙，馬上迅速的延伸到整個玻璃，所以它的斷裂情況會是很迅速的。
先依據實驗的結果，來算一下材料的elastic modules，跟破壞時的抗拉強度。這個公式基本上是在網絡上可以很容易的找到，這里就不做說明。直接把實驗數據帶入這個公式里面，然后去計算出他的楊氏模量以及抗拉強度，因為前面有提到他有一些變異性存在，所以直接把這五個sample 都去取一個平均值。所以取得結果是楊氏模量在75.8Gpa，抗拉強度是57Mpa。
上方跨距下壓的時候，如果他在量測δ的時候，δ有時候可能不是很容易量取，所以這邊提供另外一個計算公式給各位做參考。
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在判斷以脆性材料為主的第一強度理論時有奇效。例如在砌體結構主壓破壞識別中，如下圖所示：
Max/Min In-Plane Principal：平面問題最大/最小主應力。
Max Principal(abs)：絕對值最大主應力。
基礎理論實現：
鍵基 PD (BBPD)：最經典的鍵基模型，適用于脆性材料破壞分析。
常規態基 PD (OSBPD)：解決鍵基模型泊松比固定的局限性，支持任意彈性常數設置。
多場耦合模擬：
熱力耦合（Static/Dynamic）：包含熱傳導與機械變形的相互作用，支持靜力和動力兩種求解方案。
適用材料：脆性材料（如鑄鐵等）。只提取仿真結果的第一主應力與材料應力標準值進行比較。
即只需判斷：仿真結果的 與材料的許用應力；
第二強度理論：最大拉應變強度理論，即導致材料失效的主要因素是拉應變。（這個本人用的少，就不誤導大家了）。
第三強度理論：最大剪切應力強度理論，即結構件的失效主要是因為切應力最先達到了材料的許用切應力。
四、拉壓不對稱性的能量描述
2026年發表于International Journal of Engineering Science的論文進一步解決了準脆性材料的核心特征——拉壓不對稱性。
4.1 原始模型的局限
第一篇論文采用修正von Mises等效應變作為損傷準則：
其中 k 是拉壓強度比，需要通過實驗標定。
Ansys機械提供分離變形和自適應重網格
模擬脆性材料裂紋擴展的SMART技術。SMART裂紋擴展方法自動評估裂紋尖端的斷裂參數（應力強度因子或j積分），并根據用戶定義的臨界值進行檢查。該算法還計算了滿足裂紋擴展準則時的裂紋擴展角。隨著裂紋的擴展，裂紋尖端周圍的網格自適應細化。
?
沖擊試驗機能進行哪些性能測試?9個月前
韌性與脆性判斷
通過沖擊后的試樣狀態（如是否斷裂、斷裂面形態）判斷材料的韌性或脆性：
韌性材料：沖擊后可能發生較大變形而不斷裂，或斷裂面呈現纖維狀（如低碳鋼）。
脆性材料：沖擊后迅速斷裂，斷裂面平整且無明顯塑性變形（如鑄鐵、某些陶瓷）。
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.
等效應力 σ? = σ? - μ(σ? + σ?)
σ?、σ?、σ?為主應力，μ 為泊松比
適用場景：脆性材料在單向壓縮或受約束的拉伸情況下（如混凝土受壓、巖石受圍壓），實際應用較少。
ANSYS 中表達式：s1-0.3*(s2+s3)
3.
當注射壓力增加時，塑料熔體進入模腔中的壓力增大，壓強升高，有助于熔體充模，使塑件的組織致密，從而提高了抗拉強度；過高的注射壓力會導致殘余內應力增大，使材料脆性增加，從而降低斷裂伸長率；最大彎曲強度和破壞彎曲強度的變化表明，適當的注射壓力有利于提高材料的抗彎強度，但注射壓力過大，會增加內應力，從而降低材料的抗彎強度。
圖 1 注射壓力對材料力學性能的影響
2.
塑料韌性的本質與評價方法的選擇11個月前
塑料韌性的評價方法
用來評價材料抵抗沖擊的能力或判斷材料的脆性或韌性程度。因此沖擊強度也稱沖擊韌性。試樣在沖擊強度破壞過程中所吸收的能量與試樣原始橫截面積之比。
塑膠沖擊一般分為簡支梁與懸臂梁沖擊。
(1)簡支梁沖擊：
一般用于汽車保險杠、電子外殼等韌性材料評估。
毛刺（凸起邊緣）可能影響美觀與安全性，解決方案包括：
- 去毛刺工具：手動或自動設備實現安裝后表面平滑；
- 優化鉆速：對塑料等脆性材料降低轉速；
- 倒角處理：預加工斜面邊緣以抑制毛刺生成。
5.
