一、断裂韧性

工程设计中使用屈服强度σ0.2确定构件的许用应力[σ]，在许用应力以下构件就不会发生塑性变形，更不会发生断裂。然而事实并非如此，高强度材料的构件有时会在应力远远低于屈服强度的状态下发生脆性断裂；中低强度材料的重型构件及大型结构件也有类似的断裂。屈服强度仅能保证构件不发生塑性变形及随后的韧性断裂，却不能防止脆性，延伸率、断面收缩率、冲击韧性、缺口敏感性等指标也是基于无裂纹理想的试样测得，加之具体工作条件不同，也很难确定这些性能指标。

1.断裂韧性含义。

无论是韧性断裂还是脆性断裂，其断裂过程均包含裂纹形成和扩展两个阶段，大量事例和实验分析说明，低应力脆性断裂总是由材料中宏观裂纹的扩展引起的，断裂力学就是以构件中存在宏观缺陷为讨论问题的出发点，运用连续介质力学的弹性理论，考虑材料的不连续型，研究材料裂纹扩展的规律，确定能反映材料抗裂纹性能的指标及其测试方法以控制和预防构件的断裂。断裂韧性就是断裂力学用于表征反映材料抵抗裂纹失稳扩展能力的性能指标。

2.2.KIC的意义。

根据缺口效应，应用弹性力学理论，研究含有裂纹材料的应力应变状态和裂纹扩展规律的线弹性断裂力学，在特定条件下，通过计算定义了表示裂纹前端应力场强弱的因子，简称应力场强度因子 KⅠ，KⅠ是一个能量指标。裂纹扩展有三种形式，张开性、滑开型和撕开型，其相应的应力场强度因子也不同，分别以 KⅠ、KⅡ、KⅢ表示，KⅠ是正应力作用下，裂纹在张开性扩展时的应力场强度因子。张开性扩展是最危险的，容易引起低应力脆断，材料对这种裂纹扩展的抗力最低。因此，即使是其它形式的裂纹扩展，也常按Ⅰ型处理。研究计算表明，材料在平面应变状态下，裂纹前端处于三向拉应力状态，这时材料塑性变形比较困难，裂纹容易扩展，显得特别脆，是一种危险的应力状态。如果裂纹尖端处于平面应变状态，则断裂韧性的数值最低，称之为平面应变断裂韧性，用KIC表示。它反映了材料抵抗裂纹失稳扩展即抵抗脆性断裂的能力，是衡量材料韧度好坏的一个机械性能指标。

二、平面应变断裂韧性应用及脆断判据

一个有裂纹的构件上的拉应力逐渐加大，或者裂纹逐渐扩展时，裂纹尖端的应力场强度因子KⅠ也随之逐渐增大，当KⅠ到达临界值时，构件的裂纹将产生突然的失稳扩展。这个应力场强度因子KⅠ称作临界应力场强度因子，它就是材料的断裂韧性KⅠC。断裂韧性KⅠC是应力场强度因子KⅠ的临界值，它们的物理意义完全不同，KⅠ是描述裂纹前端应力场强弱的力学参量，它与裂纹及物体的大小、形状、外加应力等参数有关。而材料本身的KIC并不随应力的大小变化，只和材料的成分、热处理及加工工艺有关。因此，KIC是评定材料力学性能的指标。对于带裂纹的构件，其裂纹前端的应力场强弱可以用KⅠ来定量描述，比较其与KIC的相对大小来判断构件是否可能发生失稳脆性断裂。

若KⅠ≥KIC则构件将发生失稳脆断。

断裂韧性试验就是设定某些条件，测定裂纹前段应力场强度，比较其与给定断裂韧性的数值的大小，判定材料的断裂韧性是否合格。

三、平面应变断裂韧性试验

1.试验原理：

本方法使用预制疲劳裂纹试样通过缓慢增加裂纹位移力来测定金属材料的平面应变断裂韧性（KIC）。

2.试验机及力值测量：

疲劳试验机软件中自带力与缺口张开位移自动记录装置及程序，并能对其进行存储，根据对试验记录的线性部分规定的偏离来确定2%最大表观裂纹扩展量所对应的力。如果认为试验确实可靠，KIC值就可以根据这个力计算。

3.试样及疲劳裂纹预制。

试样应具有足够的厚度，以保证裂纹尖端附近处于平面应应变状态，试样厚度B满足以下条件：

此外，为保证裂纹尖端塑性区远远小于韧带宽度（W-a）和裂纹长度a。还要满足以下条件：

其中KⅠc——是试验材料的断裂韧性

Rp0.2——是试验材料的屈服强度

4.试验步骤。

测试时，把带有预制疲劳裂纹的试样，用专门制作的U型勾上，通过销轴夹持装置在试验机上进行断裂试验。传感器，引伸计分别记录施加载荷和裂纹张口位移，通过放大器接到X-Y记录仪，连续记录载荷和位移，形成载荷P和位移V曲线。

文章来源：《工程与试验》 网址: http://www.gcysyzz.cn/qikandaodu/2021/0508/1823.html