斷裂力學(xué)試驗簡介

斷裂力學(xué)(Fracture Mechanics)，1921年英國科學(xué)家Griffith研究“為什么玻璃的實際強度比從它的分子結(jié)構(gòu)所預(yù)期的強度低得多？”，推測“由于微小的裂紋所引起的應(yīng)力集中而產(chǎn)生”，提出適合于判斷脆性材料的與材料裂紋尺寸有關(guān)的斷裂準(zhǔn)則——能量準(zhǔn)則。

常用的試驗有下列四種：

①三點彎曲試驗

這是斷裂韌性測試中應(yīng)用最廣的一種。因試驗中對試樣進(jìn)行三點彎曲加載而得名。三點彎曲試驗用于測定應(yīng)力強度因子KI、裂紋張開位移δ和J積分等參量。試驗中通過測得的載荷- 位移（裂紋嘴張開位移或施力點位移）曲線，可計算出與臨界條件相應(yīng)的參量值。

②緊湊拉伸試驗

和其他具有同等測試能力的試驗相比，這種試驗的體積最小(尺寸緊湊)，因而得名。緊湊拉伸試驗已在斷裂韌性和裂紋擴展速度測試中得到廣泛應(yīng)用，特別是被用于核壓力容器材料的評價和研究中。試驗時通過加載孔對試樣施加拉伸載荷。

③落錘試驗

落錘試驗屬于動態(tài)斷裂試驗，它是一種特制的簡支梁式的試驗。試樣的受拉伸表面上，堆焊一條縱向的脆性焊道，在焊道上鋸一個橫向切口。試驗時，將試樣冷卻到一定的溫度，讓錘頭自由落下，對試樣作一沖擊，并測出使試樣脆性焊道上的切口開裂到邊緣的最高溫度。這溫度稱為材料的無延性轉(zhuǎn)變溫度,簡稱NDT。它在設(shè)計中作為材料的最低使用溫度。

④寬板試驗

寬板試驗是一種大型的試驗室試驗。在很多情況下，它可以模擬實際焊接結(jié)構(gòu)的斷裂。試樣縱向焊縫兩側(cè)預(yù)先制成的切口用于模擬裂縫。試驗時，在所要求的溫度下對試板施加拉伸載荷，并測量切口達(dá)到開裂時的載荷和應(yīng)變。低于某一溫度時，試板在低應(yīng)力下就開裂；而在該溫度以上，斷裂前試板發(fā)生屈服，并產(chǎn)生大的應(yīng)變，這個溫度就是脆性斷裂起始溫度。這種試驗往往要求試驗機具有數(shù)千噸的加載能力。

斷裂試驗是隨工程斷裂問題的研究和斷裂力學(xué)的發(fā)展而發(fā)展起來的。到目前止，用三點彎曲試驗、緊湊拉伸試驗測試臨界的K_I、δ和J積分的試驗方法以及落錘試驗的試驗方法等已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，但尚需進(jìn)一步完善。而另一些與環(huán)境因素有關(guān)的試驗、結(jié)構(gòu)模擬試驗等則仍在發(fā)展之中，有待標(biāo)準(zhǔn)化。另外，各種斷裂試驗之間的相互關(guān)系，試驗室試驗與結(jié)構(gòu)運行性能之間的關(guān)系等，都有待進(jìn)一步積累數(shù)據(jù)和研究。

脆性斷裂：沒有或僅伴隨著微量塑性變形的斷裂。玻璃的斷裂不發(fā)生任何塑形變形，是典型的脆性斷裂；而金屬的斷裂總伴隨著塑性變形，故金屬的脆性斷裂只是相對而言。根據(jù)裂紋擴展的路徑，脆性斷裂又可以分為解理斷裂和晶間斷裂。

斷裂解理斷裂

一種典型的穿晶脆性斷裂。一定晶系的金屬一般都有一組在正應(yīng)力作用下容易開裂的晶面，稱為解理面。一個晶體如果沿著解理面發(fā)生開裂，則稱為解理斷裂。

斷裂晶間斷裂

斷裂路徑沿著不同位向的晶粒間界出現(xiàn)的斷裂。晶間斷裂可以脆性的也可以是延性的，分別稱為晶間脆性斷裂和晶間延性斷裂。

伴隨有較大塑性變形的斷裂。典型的延性斷裂是穿晶的，通常有剪切斷裂和法向（或正向）斷裂兩種。單軸拉伸載荷作用下沿著拉伸軸約45°的面滑開的斷裂稱剪切斷裂。單晶情況下滑開面通常是滑移面。當(dāng)剪切在一組平行滑移面上出現(xiàn)時，則形成傾斜型剪切斷裂。剪切若沿兩個方向發(fā)生，則形成鑿尖型剪切斷裂。厚板或圓柱試樣在單向拉伸時，剪切斷裂從頸縮區(qū)中心開始，并向外擴展。宏觀斷裂路徑垂直于拉伸軸，微觀斷口呈鋸齒狀，因其裂紋擴展時是通過與拉伸軸成30°-45°的交替面上剪切而實現(xiàn)的，故這種斷裂方式一般稱為法向（正向）斷裂。它的最終斷裂是通過與拉伸軸成45°平面上的剪切斷裂。延性斷裂是空洞在第二相顆粒上形成、長大和匯合的過程。延性斷裂的斷口呈韌窩或塑孔狀。

非晶合金的斷裂在宏觀上表現(xiàn)為脆性，在微觀上表現(xiàn)為延性斷裂。

在恒定或不斷增加的載荷條件下，固體材料發(fā)生斷裂的機制概括有四種：（1）解理斷裂機制：拉伸應(yīng)力使原子間發(fā)生斷裂。（2）塑形孔洞長大斷裂機制：孔洞長大和粗化，或通過塑性流動發(fā)生完全頸縮。（3）蠕變斷裂機制：通過原子或空隙沿應(yīng)力方向擴散使空穴長大、粗化。（4）應(yīng)力腐蝕開裂機制：應(yīng)變速率參與的發(fā)生在裂紋尖端局部的化學(xué)侵蝕。

微孔聚合型斷裂過程是在外力作用下，在夾雜物、第二相粒子與基體的界面處，或在晶界、相界、大量位錯塞積處形成微裂紋，因相鄰微裂紋的聚合產(chǎn)生可見微孔洞，以后孔洞長大、增殖，最后連接形成斷裂。用電鏡觀察到的斷口被稱為韌窩的微孔覆蓋著，又稱韌窩斷裂。韌窩是微孔的一半。韌窩有等軸型、切變型和撕裂型3種，其形狀受力狀態(tài)制約，參考韌窩形狀可估計造成斷裂時的應(yīng)力狀態(tài)類型。(楊覺先)穿晶斷裂(transgranular fracture)裂紋穿過金屬多晶體材料晶粒內(nèi)部的一種斷裂。穿晶斷裂一般是韌性斷裂，材料斷裂前已經(jīng)承受過大量的塑性變形；但也有可能是脆性斷裂。其斷裂機制包括剪切、解理和準(zhǔn)解理斷裂(見解理斷裂) 。