如何测定材料的断裂韧度？

断裂力学不同于传统的材料力学，其显著特点是把材料或构件看作裂纹体而不再是无缺陷的连续均匀介质，进而对裂纹尖端附近区域进行了严密的数学力学分析，定量地确定了材料中裂纹扩展的规律，并建立了判断是否会发生断裂的准则，相应地提出了新的度量裂纹扩展阻力的指标——断裂韧度。

断裂韧度是根据脆性断裂准则确定的，在含裂纹的受力物体内，裂纹尖端上应力强度因子（K_Ⅰ）的临界值；而应力强度因子（K_Ⅰ）则是表示含裂纹物体在外力作用下的裂纹尖端附近应力场强度的参数。这里，σ为外加平均的应力，a为裂纹长度。

典型的裂纹变形与扩展有三种类型，如图10.1-20所示，图10.1-20a为张开型，外应力与裂纹平面垂直，或称Ⅰ型；图10.1-20b为滑开型，在切应力作用下，使裂纹上下两面产生相对滑移，或称Ⅱ型；图10.1-20c为撕裂型，在切应力作用下，使裂纹上下面错开，或称Ⅲ型。相应地，应力场强度因子分别表示为K_Ⅰ、K_Ⅱ、K_Ⅲ。在这三种类型中，以Ⅰ型引起材料脆性断裂的危险性最大，最容易引起低应力脆性断裂，材料对这种类型裂纹的扩展抗力最低，因此工程上一般通过K_Ⅰ对构件或材料进行安全设计。

1.平面应变断裂韧度K_IC

如上所述，应力场强度因子K_I表示在张开型拉应力作用下裂纹顶端应力场的强弱。随着拉应力σ逐渐增大或裂纹长度逐渐加大，裂纹顶端的K_I也随之增大，当K_I达到某一临界值时，构件（或试件）中的裂纹将突然产生失稳扩张，这时的应力场强度因子称为临界应力场强度因子，记作K_C，作为材料的断裂韧度。

图10.1-20 裂纹扩展的三种类型

如果试样完全符合平面应变条件，则此时的K_C值便达到一稳定的最小值，称为平面应变断裂韧度，用K_IC表示。如果没有特别说明，则通常所说的材料断裂韧度就是指它。K_I是一个力学参数，与材料性质无关；而K_IC则是反映材料阻止裂纹失稳扩展的能力，由材料本身的性质决定的，单位为MN/m^3/2。K_IC试验适合于高强度脆性材料。(www.xing528.com)

在腐蚀介质中进行试验，相应地得到K_ISC（应力腐蚀强度因子）和K_ISCC（应力腐蚀临界强度因子）。

为测定断裂韧度，常用两种形式的试样，如图10.1-21所示。为满足平面应变条件需有一定厚度，且必须有预制裂纹。

图10.1-21 两种典型的断裂韧度试样

2.裂纹顶端张开位移（COD）

裂纹顶端张开位移是裂纹顶端塑性应变程度的度量，即当达到临界值（δ_c）时，裂纹扩展而导致试样断裂，单位为mm。此法适用于中强度高韧性材料。