韌性斷裂
關(guān)注創(chuàng)建者：triumph9431 創(chuàng)建時間：2018-12-30
韌性斷裂的視頻教程
ABAQUS 三維斷裂韌性--應(yīng)力強(qiáng)度因子
運(yùn)用ABAQUS，模擬運(yùn)算在特定的載荷（此載荷為三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中測定的斷裂載荷）作用下，在預(yù)制裂紋的情況下，模擬產(chǎn)生的極限應(yīng)力強(qiáng)度因子，與理論計算的斷裂韌性進(jìn)行比較，確定誤差。 運(yùn)用有限元擴(kuò)展XFEM技術(shù)，計算出三維裂紋在載荷作用下的應(yīng)力強(qiáng)度因子。
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Abaqus后處理二次開發(fā)-場輸出讀取與創(chuàng)建
前置知識 小球跌落模型 韌性斷裂準(zhǔn)則 效果預(yù)覽 后處理二次開發(fā) odb打開 場輸出讀取 場輸出運(yùn)算 創(chuàng)建新的場輸出并賦值 視頻作者為上海交通大學(xué)材料加工博士，9年有限元仿真經(jīng)驗(yàn)。
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韌性斷裂的實(shí)例教程
熟悉Abaqus內(nèi)嵌的二維hashin漸進(jìn)失效模型的同學(xué)都知道，在判斷損傷起始以后，需要依據(jù)材料的斷裂韌性對剛度進(jìn)行退化，如下圖所示。
上述表格中的數(shù)據(jù)即為材料不同方向拉壓開裂時的斷裂韌性，在Hashin漸進(jìn)失效模型中，四個斷裂韌性的數(shù)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(yīng)的斷裂韌性，XT為單向板0°方向的拉伸強(qiáng)度，根據(jù)這兩項(xiàng)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(shí)驗(yàn)（DCB實(shí)驗(yàn)，參見標(biāo)準(zhǔn)ASTM5528）來測得I型斷裂韌性。或者通過ENF試驗(yàn)來測得II型斷裂韌性。
DCB實(shí)驗(yàn)示意圖
ENF實(shí)驗(yàn)示意圖
目前在文獻(xiàn)或者試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)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(yàn)標(biāo)準(zhǔn)是ASTM E399。
CT試樣示意圖
類似的，當(dāng)測試壓縮斷裂韌性時，采用CC試樣，其參考試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)大于基體開裂時的斷裂韌性，例如，文獻(xiàn)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(dá)百倍。
上述實(shí)驗(yàn)在實(shí)際操作過程中是很容易失敗的，因?yàn)榛w強(qiáng)度很低，即使按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)建議的尺寸加工試件，在測試時，有可能會出現(xiàn)裂紋90°拐折，導(dǎo)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(nèi)測試這類數(shù)據(jù)的還是很少的。
展開 Abaqus中韌性金屬失效分析需要定義c點(diǎn)的損傷初始化準(zhǔn)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(xù)承載，直到達(dá)到d點(diǎn)，材料失效，失去承載能力。
圖1-韌性金屬的全載荷區(qū)間應(yīng)力-應(yīng)變曲線
圖2-韌性金屬的損傷準(zhǔn)則
ABAQUS為韌性金屬提供不同的損傷初始化準(zhǔn)則，大致分為兩種類型：
金屬裂紋的損傷初始化準(zhǔn)則，包括韌性準(zhǔn)則（ductile damage、Johnson-Cook damage）和剪切準(zhǔn)則（shear damage）。也就是圖2中紅框內(nèi)的三個準(zhǔn)則，它們都屬于金屬承載后產(chǎn)生裂紋的準(zhǔn)則。
金屬板的徑縮不穩(wěn)定損傷初始化準(zhǔn)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(zhǔn)則，不在本文討論范圍。
圖3-漸進(jìn)損傷失效分類【摘自Abaqus材料本構(gòu)模型導(dǎo)圖，完整版鏈接】
····································常見問題解答····································
······Q1: 韌性準(zhǔn)則和剪切準(zhǔn)則有何不同？
······A1: 韌性金屬開裂有兩種主要機(jī)理，基于唯象觀察，仿真模擬這兩種機(jī)理時用到不同的損傷起始準(zhǔn)則（hooputra2004）：
機(jī)理1，由于內(nèi)部（微裂紋）的成核、生長和孔隙的聚集產(chǎn)生的韌性斷裂，這種情況下ductile damage、Johnson-Cook damage兩種韌性準(zhǔn)則是適用的，常見于拉伸工況。
圖4-機(jī)理1韌性斷裂
機(jī)理2，由于剪力帶局部化產(chǎn)生的剪切斷裂，這時shear damage比較適合，常見于剪切工況。
展開 這些材料在應(yīng)用過程中，其斷裂韌性是一個非常重要的力學(xué)參數(shù)。通常情況下，材料的斷裂韌性被認(rèn)為是一個材料常數(shù)。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(shí)驗(yàn)
近日，哈佛大學(xué)鎖志剛院士課題組關(guān)于軟材料斷裂韌性的研究有了新的發(fā)現(xiàn)。研究人員以彈性體為模型材料，使用180°剝離實(shí)驗(yàn)測量軟材料的斷裂韌性（圖1）。在未變形狀態(tài)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(yù)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(jī)進(jìn)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(yīng)著裂紋尖端的鈍化過程。當(dāng)裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展時，剝離力穩(wěn)定在一個平臺，記作Fss。材料的韌性通過Γ=2Fss/B 計算得到。當(dāng)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(yīng)變狀態(tài) (圖1d)。當(dāng)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(yīng)力狀態(tài) (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(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。可以看到，當(dāng)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(dāng)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(shù)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(xiàn)象可以作如下解釋。考慮斷裂過程區(qū)中的一個物質(zhì)點(diǎn)。這一點(diǎn)的應(yīng)力在試件的加載方向上不為零。
展開 復(fù)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(shù)很難適用于所有鋼材。
主要原因有：
第一，因?yàn)樵阡摰囊睙挄r需加入一定數(shù)量的某種或多種合金元素，成材后再經(jīng)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?yàn)闊掍摵蜐沧⑦^程中產(chǎn)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(xué)成分鋼的不同爐次之間，甚至在同一鋼坯的不同部位發(fā)生不同的改變，從而影響鋼材的質(zhì)量。
由于鋼材韌性主要取決于顯微結(jié)構(gòu)和缺陷的分散（嚴(yán)防集中缺陷）度，而不是化學(xué)成分。所以，經(jīng)熱處理后韌性會發(fā)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(xué)和顯微組織與鋼材韌性的關(guān)系。
1.鐵素體-珠光體鋼斷裂
鐵素體-珠光體鋼占鋼總產(chǎn)量的絕大多數(shù)。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(qiáng)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(dāng)碳含量高于0.02%時，絕大多數(shù)的Fe3C形成具有某些鐵素體的片狀結(jié)構(gòu)，而稱為珠光體，同時趨向于作為“晶粒”和球結(jié)（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?yàn)橹楣怏w球結(jié)的形成和轉(zhuǎn)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(yīng)力δy。
從斷裂分析的觀點(diǎn)看，在低碳鋼中有兩種含碳量范圍的鋼，其性能令人關(guān)注。
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韌性斷裂的最新內(nèi)容
經(jīng)典GTN模型認(rèn)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(yīng)力為主導(dǎo)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這類材料在沖裁時并沒有表現(xiàn)出典型的“微孔充分長大后再斷裂”的特征，而是呈現(xiàn)出更明顯的撕裂失效與剪切主導(dǎo)破壞特征。也就是說，當(dāng)板厚進(jìn)入超薄尺度后，傳統(tǒng)GTN模型已經(jīng)難以完整解釋實(shí)際斷裂機(jī)制。
樣品A表現(xiàn)出均勻線性的生長模式，形成均一厚晶片網(wǎng)絡(luò)，賦予材料高剛性；樣品B則呈現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)，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(shù)服務(wù)
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(jié)構(gòu)解析領(lǐng)域的典型應(yīng)用。
材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，則對應(yīng)一個臨界值——斷裂韌性Gc 。
研究進(jìn)一步區(qū)分了三種典型的載荷場景：
單調(diào)加載：一次撕裂，對應(yīng)材料的極限韌性Gc 。
循環(huán)加載：往復(fù)疲勞，對應(yīng)更低的“疲勞門檻值Gth ”，決定了材料在長期動態(tài)載荷下的壽命。
靜態(tài)加載：長期持載，研究蠕變開裂行為。
結(jié)合基于Bazant裂紋帶模型的理論公式，可以計算出材料的面內(nèi)纖維方向斷裂韌性 Gic。
對于本案例研究的CFRP材料，當(dāng)單元尺寸為2mm、SLIMT1取0.2時，計算得到對應(yīng)的ERODS值為 0.56（表3）。這為仿真提供了基于物理斷裂機(jī)制的失效準(zhǔn)則輸入。
雖然在材料的粘彈性范圍內(nèi)的力學(xué)特性并不準(zhǔn)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(yīng)變；εE為彈性應(yīng)變；σT為真實(shí)應(yīng)力；E為假定的彈性模量。
利用參數(shù)優(yōu)化軟件對有效應(yīng)力-有效塑性應(yīng)變曲線設(shè)定的控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，獲得優(yōu)化后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。圖4a,c和e所示的是優(yōu)化前后的有效應(yīng)力-有效塑性應(yīng)變曲線。
統(tǒng)計圖7中3種試件的拉伸強(qiáng)度和破壞應(yīng)變數(shù)據(jù)可知，當(dāng)加載模式由準(zhǔn)靜態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦邞?yīng)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(zhuǎn)變。
圖7 玻璃纖維方向不同的玻璃纖維增強(qiáng) PC 復(fù)合材料在不同應(yīng)變率下的工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線
在同一應(yīng)變率下，玻璃纖維方向?yàn)?0°的試件的拉伸強(qiáng)度高于另外兩種試件，而破壞應(yīng)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(kuò)展的能力。
（三）彎曲力學(xué)測試設(shè)備：模擬材料彎曲載荷下的性能表現(xiàn)
彎曲力學(xué)測試設(shè)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(qiáng)度、抗彎彈性模量、彎曲撓度、斷裂韌性等指標(biāo)，適用于需評估材料在彎曲工況下性能的場景：
建筑與結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域：對鋼筋、木材、水泥梁等結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行彎曲測試，判斷其在建筑結(jié)構(gòu)中承受彎曲載荷（如樓板承重、橋梁受彎）時的性能。
可結(jié)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(jī)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(yàn)機(jī)可配合低溫裝置（如液氮冷卻箱），在指定低溫環(huán)境（如 - 40℃、-60℃）下測試材料的沖擊性能。
典型應(yīng)用：嚴(yán)寒地區(qū)使用的管道、車輛零部件的低溫韌性驗(yàn)證。
（4）添加UEL和可視化UMAT單元的性質(zhì)
其中UEL的單元性質(zhì)分別是楊氏模量、泊松比、斷裂韌性、相場特征寬度值、保證數(shù)值穩(wěn)定性的小值、平面應(yīng)力問題中的厚度值
UMAT的材料性質(zhì)為楊氏模量、泊松比和單元總個數(shù)，其中楊氏模量設(shè)置為一個極小的值，不同job需要修改單元總個數(shù)的值。狀態(tài)變量的個數(shù)設(shè)置為8.
