刘 明 侯冬杨 高诚辉

(福州大学机械工程及自动化学院,福州 350116)

引言

断裂韧性是指材料抵抗裂纹扩展的能力[1],通常用临界应力强度因子KIC作为衡量指标,单位为字母K为应力场强度因子,反映的是裂纹尖端区域应力场强弱;字母C 指的是裂纹扩展的临界情况;下标罗马数字I 是指裂纹扩展形式为张开型,脆性材料的裂纹扩展类型即为I 型.研究材料的KIC可以用来评估典型工程结构(例如石化容器和储罐、石油和天然气管道以及汽车、船舶和飞机结构[2])的材料性能以及用来确定脆性材料(如石英玻璃)的微观参数[3].

目前,测量材料KIC的方法主要有:山形切口梁法(CNB)[4-5]、单边预裂梁法(SEPB)[4-5]、表面弯曲裂纹法(SCF)[4]、单边切口梁法(SENB)[4-5]、单边V 形切口梁法(SEVNB)[5]、短V 形切口杆法(SR)[5]、双扭法(DT)[4-5]、双悬臂梁法(DCB)[4-5]、微米划痕法[6-8]、压痕法(如纳米压痕法[9-10]和维氏压痕法[11-12])等.SR,DCB 和SEPB 法的测试试样难生产、成本高,故无法得到广泛使用;SENB,SEVNB 和CNB 法加工试样缺口较为困难;DT 法试件的几何尺寸会对测量值产生影响;SCF 法必须要去除足够深度的表面层来消除残余应力场,才能保证KIC不被高估[4-5];微米划痕法需要考虑压头的磨损以确保测试结果的准确性[13];而压痕法具有制备试样简单、测试效率高、以及综合成本低等优点,已被广泛地应用于陶瓷材料[14-15]、硬质合金[16-17]和玻璃材料[18-19]的硬度、弹性模量和韧性测量.

最初,Lawn 等[11]在1980 年基于弹−塑性断裂力学提出了计算KIC的公式(称为LEM 模型).随后,Anstis 等[12]使用了许多较大KIC范围(0.74～12 MPa·)的参考材料,得出了公式中的无……