韌性斷裂的案例
復合材料纖維方向斷裂韌性的測量方法
熟悉Abaqus內(nèi)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(jù)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(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的斷裂韌性，XT為單向板0°方向的拉伸強度，根據(jù)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(xiàn)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(nèi)測試這類數(shù)據(jù)的還是很少的。
展開 【螺栓斷裂】Abaqus韌性損傷與剪切損傷準則---{ 問題答疑 +工程案例 + 模型文件 } ￥99.9
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(xù)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(qū)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(nèi)的三個準則，它們都屬于金屬承載后產(chǎn)生裂紋的準則。
金屬板的徑縮不穩(wěn)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(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(chǎn)生的剪切斷裂，這時shear damage比較適合，常見于剪切工況。
展開 哈佛大學鎖志剛院士課題組：寬度和厚度依賴的軟材料斷裂韌性
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(shù)。通常情況下，材料的斷裂韌性被認為是一個材料常數(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(fā)現(xiàn)。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(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(wěn)定擴展時，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(tài) (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(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(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。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
復合材料的斷裂和韌性.ppt
鋼材韌性及斷裂原因研究
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，因為在鋼的冶煉時需加入一定數(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，因為煉鋼和澆注過程中產(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構和缺陷的分散（嚴防集中缺陷）度，而不是化學成分。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(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(shù)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(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 壓力容器失效模式有哪些？
2.1第一大類：短期失效模式
（Short term failure modes）
1）脆性斷裂（Brittle fracture）
容器沒有明顯的塑性變形，且器壁中的應力值遠遠小于材料的強度極限
甚至低于材料的屈服極限而發(fā)生的斷裂。脆性斷裂的主要原因在于材料的脆化（材料選擇不當、材料加工工藝不當、應變時效、運行環(huán)境惡劣）和材料本身的缺陷。
2）韌性斷裂（Ductile rupture）
在壓力等荷載作用下，產(chǎn)生的應力值達到或接近器壁材料的強度極限而發(fā)生的斷裂。通常碳鋼壓力容器的韌性斷裂的主要原因是壁厚過薄（設計壁厚不足和厚度因腐蝕而變薄）、內(nèi)壓過高或選材不當、安裝不符合安全要求。
3）超量變形引起的接頭泄漏（Leakage at joints due to excessive deformations）
容器的各種接口密封面失效或脹接管口松動發(fā)生泄漏而引起的失效，泄漏介質(zhì)可能引起燃燒、爆炸和中毒事故，并造成嚴重的環(huán)境污染。
4）超量局部應變引起的裂紋形成或韌性斷裂（Crack formation or ductile tearing due to excessive local strains）
5）彈性、塑性或彈塑性失穩(wěn)（垮塌）（Instability-elastic, plastic or elastic-plastic）
在壓應力作用下，壓力容器突然失去其原有的規(guī)則幾何形狀引起的失效稱為失穩(wěn)失效。容器彈性失穩(wěn)的一個重要特征是彈性撓度與載荷不成比例，且臨界壓力與材料的強度無關，主要取決于容器的尺寸和材料的彈性性質(zhì)，但當容器中的應力水平超過材料的屈服點而發(fā)生非彈性失穩(wěn)時，臨界壓力還與材料的強度有關。
展開 鋁合金在民用飛機關鍵構件上的應用：幫你定位自己的研究方向
鋅的加入增加了合金的強度，而錳的加入增加了合金的斷裂韌性，這是由于形成了含有錳和鐵的第二相，從而減少了鐵對斷裂韌性的不利影響。
ABAQUS的斷裂力學工程應用
由于脆性斷裂在事故發(fā)生前難有預兆，斷裂時又容易產(chǎn)生很多碎片，因此它是一種非常危險的突發(fā)事故，危害較大。
特點：斷裂面和載荷方向呈90°角；可能會有（或無）微小塑性變形；斷裂表面比較粗糙或者呈水晶狀；有“人”字紋（ChevronPatterns）并且指向初始斷裂點。
三種模式：疲勞斷裂（Fatigue）、脆性斷裂（Brittle)、韌性斷裂（Ductile）
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斷裂模式（種類）-韌性斷裂
韌性斷裂也有叫延性斷裂，它是由于裂紋的緩慢擴展而造成的，而這種裂紋擴展又起源于孔穴的形成和合并。延性斷裂的斷口表面外觀特征為無光澤的纖維狀。大多數(shù)多晶體金屬的拉伸試驗的延性斷裂有三個明顯的階段：首先，試樣開始出現(xiàn)局部“頸縮”，并在“頸縮”區(qū)域產(chǎn)生小的分散的空穴；接著這些小空穴不斷增加和擴大并聚合成微裂紋，裂紋方向一般垂直于拉應力方向；最后，裂紋沿剪切面擴展到試件表面，剪切面的方向與拉伸軸線近似成45°。斷裂形態(tài)是典型的“杯錐”失效斷面。延性斷裂在斷裂前出現(xiàn)大量的塑性變形，具有明顯的失效預兆。
特點：灰色的粗糙表面；斷裂面高低不平；可能有剪切唇（在斷裂邊緣與載荷成45°角）；截面收縮；斷口微觀形貌通常有韌窩。
展開 Benchmark test 札記——記錄時間都去哪兒了
(Sandia Fracture Challenge, SFC– A Double Blind Benchmark Assessment of Failure Modeling Methodologies)，采用實驗和數(shù)值模擬雙盲的方式開展固體韌性斷裂破壞模擬方法的雙盲基準測試挑戰(zhàn)賽，第一次為準靜態(tài)斷裂、第二次為不同加載率下的韌性斷裂、第三次為增材制造材料的斷裂；在計算力學和斷裂模擬領域產(chǎn)生了巨大的影響力，評估了現(xiàn)有方法技術的韌性斷裂預測能力、真雙盲環(huán)境利于參與團隊評估各自方法的優(yōu)缺點并提升完善、多團隊共同獨立研究同一韌性斷裂問題提升了對于韌性斷裂的認識理解。
展開 斷裂韌性的測試原理和方法（pdf格式） ￥1
斷裂韌性的測試原理和方法（pdf格式）
做沖壓材質(zhì)分析很重要，材料性能分析匯總~
穿晶斷裂：裂紋穿過晶內(nèi)，可以是韌性斷裂，也可以是脆性斷裂，斷口明亮。
沿晶斷裂：裂紋沿晶界擴展，都是脆性斷裂，由晶界處的脆性第二相等造成，斷
口相對灰暗。穿晶斷裂和沿晶斷裂可混合發(fā)生。高溫下，多由穿晶斷裂轉(zhuǎn)為沿晶韌性斷裂。
沿晶斷裂斷口：斷口冰糖狀；若晶粒細小，斷口呈晶粒狀。
剪切斷裂：材料在切應力作用下沿滑移面滑移分離而造成的斷裂。（滑斷、微孔
聚集型斷裂）
解理斷裂：材料在正應力作用下，由于原于間結合鍵的破壞引起的沿特定晶面發(fā)
生的脆性穿晶斷裂。
金屬的強度就是指金屬材料原子間結合力的大小，一般說金屬熔點高，彈性模量
大，熱膨脹系數(shù)小則其原子間結合力大，斷裂強度高。斷裂的實質(zhì)就是外力
作用下材料沿某個原子面分開的過程。
格里菲思理論：從熱力學觀點看，凡是使能量減低的過程都將自發(fā)進行，凡使能
量升高的過程必將停止，除非外界提供能量。Griffth指出，由于裂紋存在，系統(tǒng)彈性能降低，與因存在裂紋而增加的表面能平衡。如彈性能降低足以滿足表面能增加，裂紋就會失穩(wěn)擴展，引起脆性破壞。
b、相關理論
斷裂三種主要的失效形式：磨損、腐蝕、斷裂
多數(shù)金屬的斷裂包括裂紋的形成和擴展兩個階段。
按斷裂的性態(tài)：韌性斷裂和脆性斷裂；按裂紋擴展路徑：穿晶斷裂和沿晶斷裂；按斷裂機制：解理斷裂和剪切斷裂
韌性斷裂和脆性斷裂：根據(jù)材料斷裂前產(chǎn)生的宏觀塑性變形量的大小來確定。通
常脆性斷裂也會發(fā)生微量的塑性變形，一般規(guī)定斷面收縮率小于5％則為脆性斷裂。反之大于5％的為韌性斷裂。
脆性斷口平齊而光亮，與正應力垂直，斷口常呈人字紋或放射花樣。
解理斷裂是沿特定的晶面發(fā)生的脆性穿晶斷裂，通常總沿一定的晶面分離。
解理斷裂總是脆性斷裂，但脆性斷裂不一定是解理斷裂。
展開 
做沖壓材質(zhì)分析很重要，材料性能分析匯總~
穿晶斷裂：裂紋穿過晶內(nèi)，可以是韌性斷裂，也可以是脆性斷裂，斷口明亮。
沿晶斷裂：裂紋沿晶界擴展，都是脆性斷裂，由晶界處的脆性第二相等造成，斷
口相對灰暗。穿晶斷裂和沿晶斷裂可混合發(fā)生。高溫下，多由穿晶斷裂轉(zhuǎn)為沿晶韌性斷裂。
沿晶斷裂斷口：斷口冰糖狀；若晶粒細小，斷口呈晶粒狀。
剪切斷裂：材料在切應力作用下沿滑移面滑移分離而造成的斷裂。（滑斷、微孔
聚集型斷裂）
解理斷裂：材料在正應力作用下，由于原于間結合鍵的破壞引起的沿特定晶面發(fā)
生的脆性穿晶斷裂。
金屬的強度就是指金屬材料原子間結合力的大小，一般說金屬熔點高，彈性模量
大，熱膨脹系數(shù)小則其原子間結合力大，斷裂強度高。斷裂的實質(zhì)就是外力
作用下材料沿某個原子面分開的過程。
格里菲思理論：從熱力學觀點看，凡是使能量減低的過程都將自發(fā)進行，凡使能
量升高的過程必將停止，除非外界提供能量。Griffth指出，由于裂紋存在，系統(tǒng)彈性能降低，與因存在裂紋而增加的表面能平衡。如彈性能降低足以滿足表面能增加，裂紋就會失穩(wěn)擴展，引起脆性破壞。
b、相關理論
斷裂三種主要的失效形式：磨損、腐蝕、斷裂
多數(shù)金屬的斷裂包括裂紋的形成和擴展兩個階段。
按斷裂的性態(tài)：韌性斷裂和脆性斷裂；按裂紋擴展路徑：穿晶斷裂和沿晶斷裂；按斷裂機制：解理斷裂和剪切斷裂
韌性斷裂和脆性斷裂：根據(jù)材料斷裂前產(chǎn)生的宏觀塑性變形量的大小來確定。通
常脆性斷裂也會發(fā)生微量的塑性變形，一般規(guī)定斷面收縮率小于5％則為脆性斷裂。反之大于5％的為韌性斷裂。
脆性斷口平齊而光亮，與正應力垂直，斷口常呈人字紋或放射花樣。
解理斷裂是沿特定的晶面發(fā)生的脆性穿晶斷裂，通常總沿一定的晶面分離。
解理斷裂總是脆性斷裂，但脆性斷裂不一定是解理斷裂。
展開 華中科技大學柳林組JMCA: 新型熱噴涂3D打印技術制備大尺寸高韌性Fe基非晶合金及其復合材料
然而，目前有兩大因素限制了Fe基非晶合金的工業(yè)應用，其一為非晶尺寸限制；其二為低塑性與低斷裂韌性。
2013年，研究人員首次嘗試用選區(qū)激光熔化（SLM）3D打印技術制備出了Fe基非晶合金。SLM技術的基本原理為采用高能激光束完全熔化非晶粉末，然后逐層疊加成形。盡管激光掃描能夠獲得足夠高的冷卻速率，保證足夠的非晶結構的形成，但激光掃描引起的高溫度梯度會在樣品中產(chǎn)生極大的熱應力，導致大量微裂紋的形成。因此，基于SLM技術（其他傳統(tǒng)3D打印技術情況類似）制備的Fe基非晶合金往往表現(xiàn)出極差的力學性能（如壓塑強度<300 MPa, 斷裂韌性為<1 MPa m1/2）。因此，開發(fā)新型3D打印技術, 對于制備大尺寸、力學性能優(yōu)異的Fe基非晶合金十分重要。
【成果簡介】
最近，華中科技大學材料科學與工程學院柳林教授課題組的張誠等人，開發(fā)出一種新型超音速熱噴涂3D打印(簡稱TS3DP)技術，利用粉末表面熔化以及超音速沉積作用，克服了激光3D打印技術引起的高溫度梯度以及熱影響區(qū)等限制，在大氣環(huán)境下成功制備出超大尺寸，高致密度（99.7%），近乎100%非晶相，且具有良好斷裂韌性的Fe基非晶合金。更為重要的是，該技術可極其方便地添加任意比例的第二相，制備力學性能更有優(yōu)異的非晶基復合材料。例如，將Fe基非晶合金與傳統(tǒng)316L不銹鋼粉末復合制備的Fe基非晶基復合材料，其強度達到1.8GPa，斷裂韌性超過20 MPa m1/2 （是鑄態(tài)Fe基非晶的4倍）。研究發(fā)現(xiàn)，該非晶合金及復合材料具有優(yōu)異斷裂韌性主要歸因于熱噴涂產(chǎn)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(tǒng)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）。
展開 abaqus損傷準則總結
ABAQUS中有四種初始斷裂準則:
在高應變速率下變形時，有shear failure和tensile failure（旋壓用不到，不再介紹）
對于斷裂延性金屬：可以選用A:韌性準則（ductile criteria）和B:剪切準則（shear criteria）
對于縮頸不穩(wěn)定性可以使用（鈑金）：C: FLD、FLSD、M-K以及MSFLD
對于鋁合金、鎂合金以及高強鋼在變形過程中會出現(xiàn)不同機制的斷裂，可能會將以上準則聯(lián)合起來進行使用。
損傷的感念如下圖所示：
1. 韌性斷裂準則
1.1 ABAQUS中提供的韌性斷裂準則需要輸入的參數(shù)為：
斷裂應變；應力三軸度；應變速率
要測量不同應力三軸度下的斷裂應變需要進行大量的實驗，這是不可取的。
Hooputra et al,2004通過實驗和理論推導得到了在定應變速率下，斷裂應變和應力三軸度的關系：
SIMUWE論壇中的建議：
這個應該通過單軸拉伸實驗、壓縮實驗和純剪切實驗。各測得各自的應變量。 應力三軸度拉伸是0.33，壓縮是-0.33，純剪切時0。實驗好做。
方程求解后，就可以得到（不同溫度、不同應變速率下）不同三軸應力對應的斷裂初始時的等效塑性應變。
例子中提供的斷裂應變和應力三軸度的關系如下圖所示，材料為7018鋁合金，T6態(tài)：
展開 材料性能知識大匯總，超實用全面！
剪切斷裂：材料在切應力作用下沿滑移面滑移分離而造成的斷裂。（滑斷、微孔聚集型斷裂）。
解理斷裂：材料在正應力作用下，由于原于間結合鍵的破壞引起的沿特定晶面發(fā)生的脆性穿晶斷裂。
金屬的強度就是指金屬材料原子間結合力的大小，一般說金屬熔點高，彈性模量大，熱膨脹系數(shù)小則其原子間結合力大，斷裂強度高。斷裂的實質(zhì)就是外力作用下材料沿某個原子面分開的過程。
格里菲思理論：從熱力學觀點看，凡是使能量減低的過程都將自發(fā)進行，凡使能量升高的過程必將停止，除非外界提供能量。由于裂紋存在，系統(tǒng)彈性能降低，與因存在裂紋而增加的表面能平衡。如彈性能降低足以滿足表面能增加，裂紋就會失穩(wěn)擴展，引起脆性破壞。
b、相關理論
斷裂三種主要的失效形式：磨損、腐蝕、斷裂。
多數(shù)金屬的斷裂包括裂紋的形成和擴展兩個階段。
按斷裂的性態(tài)：韌性斷裂和脆性斷裂；按裂紋擴展路徑：穿晶斷裂和沿晶斷裂；按斷裂機制：解理斷裂和剪切斷裂。
韌性斷裂和脆性斷裂：根據(jù)材料斷裂前產(chǎn)生的宏觀塑性變形量的大小來確定。通常脆性斷裂也會發(fā)生微量的塑性變形，一般規(guī)定斷面收縮率小于5％則為脆性斷裂。反之大于5％的為韌性斷裂。
脆性斷口平齊而光亮，與正應力垂直，斷口常呈人字紋或放射花樣。
解理斷裂是沿特定的晶面發(fā)生的脆性穿晶斷裂，通常總沿一定的晶面分離。
解理斷裂總是脆性斷裂，但脆性斷裂不一定是解理斷裂。
常見的裂紋形成理論：①位錯塞積理論；②位錯反應理論。
解理與準解理
共同點：穿晶斷裂；有小解理刻面；臺階及河流花樣。
不同點：①準解理小刻面不是晶體學解理面；②解理裂紋常源于晶界，準解理裂紋常源于晶內(nèi)硬質(zhì)點。準解理不是一種獨立的斷裂機理，而是解理斷裂的變種。
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