断裂韧性

在材料科学中，断裂韧性是尖锐裂纹的临界应力强度因子，裂纹的传播突然变得快速且无限。 组件的厚度会影响裂纹尖端的约束条件，薄组件具有平面应力条件，厚组件具有平面应变条件。 平面应变条件给出了最低的断裂韧性值，这是一种材料特性。 在平面应变条件下测量的模式 I 加载中的应力强度因子的临界值称为平面应变断裂韧性，表示为 K Ic {displaystyle K_{text{Ic}}} 。 当测试未能满足确保平面应变条件的厚度和其他测试要求时，产生的断裂韧性值被指定为 K c {displaystyle K_{text{c}}} 。 断裂性是一种表达材料抗裂纹扩展能力的定量方法，通常可以获得给定材料的标准值。

缓慢的自持裂纹扩展称为应力腐蚀开裂，可能发生在高于阈值 K Iscc {displaystyle K_{text{Iscc}}} 和低于 K Ic {displaystyle K_{text 的腐蚀环境中 {我知道了}}} 。 在疲劳裂纹扩展过程中也会出现裂纹扩展的小增量，经过反复加载循环后，裂纹会逐渐扩展，直到超过断裂韧性而发生最终失效。

不同材料的断裂性大约相差 4 个数量级。 金属具有最高的断裂韧性值。 裂纹不易在坚硬的材料中传播，这使得金属在应力下具有很强的抗裂性，并使其应力-应变曲线具有较大的塑性流动区域。 陶瓷具有较低的断裂韧性，但在应力断裂方面表现出非凡的改善，这归因于它们相对于金属的强度增加了 1.5 个数量级。 通过将工程陶瓷与工程聚合物结合制成的复合材料的断裂韧性xxx超过了构成材料的单独断裂韧性。

内在增韧机制是在裂纹尖端之前作用以增加材料韧性的过程。 这些往往与基础材料的结构和结合，以及微观结构特征和添加剂有关。 机制的例子包括

• 次生相的裂纹偏转，
• 细晶结构导致的裂纹分叉
• 晶界引起的裂纹路径变化

对基础材料进行的任何增加其延展性的改变也可以被认为是内在增韧。

材料中晶粒的存在也会通过影响裂纹传播的方式来影响其韧性。 在裂纹前面，随着材料屈服，可能会出现塑性区域。 在该区域之外，材料保持弹性。 断裂条件在塑性和弹性区之间的边界处是最有利的，因此裂纹通常是由该位置的晶粒解理引发的。

在低温下，材料会完全变脆，例如体心立方 (BCC) 金属，塑性区会收缩，只存在弹性区。 在这种状态下，裂纹将通过晶粒的连续解理传播。 在这些低温下，屈服强度高，但断裂应变和裂纹尖端曲率半径低，导致韧性低。

在较高温度下，屈服强度降低，并导致塑性区的形成。 解理很可能在弹塑性区边界开始，然后连接回主裂纹尖端。 这通常是晶粒解理和称为纤维连接的晶粒韧性断裂的混合物。 纤维连接的百分比随着温度的升高而增加，直到连接完全是纤维连接。 在这种状态下，即使屈服强度较低，但韧性断裂的存在和较高的裂纹尖端曲率半径导致较高的韧性。

材料中的夹杂物（例如第二相颗粒）的作用类似于影响裂纹扩展的脆性晶粒。 夹杂物处的断裂或脱聚可能是由外部施加的应力引起的，也可能是由于夹杂物需要与周围的基体保持连续而产生的位错引起的。 与晶粒相似，断裂最有可能发生在塑性-弹性区边界。 然后破解可以链接回主破解。 如果塑性区较小或夹杂物密度较小，断口更可能直接与主裂纹尖端相连。 如果塑性区大，或夹杂物密度高，则可能会发生额外的夹杂物断裂。