1、断裂韧性(fracture toughness)带裂纹的金属材料及其构件抵抗裂纹开裂和扩展的能力。从 20 世纪 50 年代开始在欧文(GRIrwin)等的努力下，形成了线弹性断裂力学，随后又发展成弹塑性断裂力学。在用它们对断裂过程进行分析和不断完善实验技术的基础上，逐步形成了平面应变断裂韧性 KIC、临界裂纹扩展能量释放率 GIC、临界裂纹顶端张开位移 IC、临界 J 积分 JIC等断裂韧性参数。其中下标 I 表示 I 型即张开型裂纹，下标 c 表示临界值。这些参数可通过实验测定，其值越高，材料的断裂韧性越好，裂纹越不易扩展。断裂韧性参数(1)平面应变断裂韧性 KIC。欧文分析平面问题的 I
2、 型裂纹尖端区域的各个应力分量中都有一个共同的因子 KI，其值决定着各应力分量的大小，故称为应力强度因子。K IC=y(a) 1/2，式中 为外加拉应力；a 为裂纹长度，y 为与裂纹形状、加载方式和试件几何因素有关的无量纲系数。K I增大到临界值KIC，K IK IC时，裂纹失稳扩展，迅速脆断。(2)临界裂纹扩展能量释放率 GIC。裂纹扩展能量释放率 GI=-(a/aA)，式中 为弹性能，A 为裂纹面积。平面应力条件下，G I=kI2/E;平面应变条件下，GI=(kI2/E)(1-v2)，式中 E 为弹性模量，v 为泊松比。G I是裂纹扩展的动力，G IC增大到临界值 G。即 GIG IC时，
3、裂纹将失稳扩展。(3)临界裂纹顶端张开位移 C。裂纹上、下表面在拉应力作用下，裂纹顶端出现张开型的相对位移叫裂纹顶端张开位移 ， 增大到临界值 C，裂纹开始扩展。(4)临界 J 积分 JIC。弹塑性断裂力学中，一个与路径无关的能量线积分叫做 J 积分。式中 r 为积分回路，由裂纹下边缘到上边缘，以逆时针方向为正，ds 为弧元， 为单位体积应变能，u 为位移矢量，T 是边界条件决定的应力矢量。线弹性和弹塑性小应变条件下，I 型裂纹的 J 积分JI=-B-1(a/aA)，式中 B 为试样厚度，a 为裂纹长度。J I增大到 JIC临界值，m即当 JIJ IC时，裂纹开始扩展。断裂韧性参数还有动态断裂
4、韧度 KId，应力腐蚀临界强度因子 KI scc、疲劳裂纹扩展速率 da/dN(mm周)等。各种参数中 KIc应用最为普遍。KIc的测定 各国的测试标准基本上都参考美国 ASTME399。中国是GB416184。按 GB773287 金属板材表面裂纹断裂韧度 KIc试验方法规定的标准试样是紧凑拉伸试样和弯曲试样的尺寸如图 1 所示。试样尺寸必须满足：(1)厚度 B2.5(K Ic/ s)2；(2)裂纹长度口2.5(K Ic/ s)2)；(3)韧带宽度 W-a2.5(K Ic/ s)2。各式中 s为拉伸屈服应力。可在材料试验机上或电子拉伸试验机上测出载荷 P 和裂纹顶端张开位移 V的关系曲线。P
5、V 曲线可能有 3 种类型(图 2)。为确定临界载荷 PQ，作一条比实验曲线直线部分斜率小 5的割线 OP5与曲线相交于 P5点；若 P5点以前试验曲线每点的载荷都低于 P5点，则取 P5点的载荷为裂纹失稳扩张的临界载荷 PQ，若在 P5点以前还有一个大于 P5点载荷的最大载荷(如图 2 曲线、的情况)，就取该载荷为 PQ，然后依 PQ和试样压断后(3 点弯曲试验)实测的裂纹长度 n 代入计算 KI公式算出 KQ值。对于紧凑拉伸试样KQ=PQ/BW1/229.6(a/w)1/2-185.5 (a/w)3/2+655.7(a/w)5/2-1017(a/w)7/2+63.9(a/w)9/2对于 3
6、 点弯曲试样KQ=PQ/BW1/22.9(a/w)1/2-4.6(a/w)3/2+21.8(a/w)5/2-37.6(a/w)7/2+38.7(a/w)9/2式中符号与试样尺寸符号相同。若 PmaxP Q1.1，则 KQ即 KIC，否则必须加大试样厚度重新实验。KIC的应用 K IK IC时裂纹才失稳扩展，所以 KIKIC就可作为制定构件安全的条件。K I=ya 1/2K=KIC是裂纹体处于危险的临界状态，利用这一关系，则：(1)若已知 KIC和裂纹最大长度 a，可确定构件的最大承载能力=K ICya 1/2；(2)若已知 KIC和构件的工作应力 ，可确定裂纹最大容许长度ac =KIC2/ 乃。这些关系式是工程安全设计的理论根据。实际金属材料中的裂纹前端存在塑性区，会影响 KI值，应以有效裂纹长度 a+ry(塑性区半径)代替真实裂纹长度 a 来消除塑性区的影响，修正 KI值。平面应力条件下，r y=(1/2)(KI/ S)2，平面变形条件下 ry1（42 1/2 ） (KI / s)2，修正后的KI y(a+r y)1/2。
