斷裂韌性是評(píng)估材料抗裂紋擴(kuò)展能力的關(guān)鍵參數(shù)。在設(shè)計(jì)和制造過程中，了解材料的斷裂韌性可以幫助選擇合適的材料，確保設(shè)備在使用過程中的安全性。對(duì)于已經(jīng)投入使用的設(shè)備，評(píng)估材料的斷裂韌性可以預(yù)測(cè)設(shè)備在運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的裂紋擴(kuò)展情況，從而預(yù)防事故的發(fā)生。傳統(tǒng)的斷裂韌性測(cè)試方法（如單邊缺口梁測(cè)試和緊湊拉伸測(cè)試）需要較大的樣本和復(fù)雜的加載程序，不適用于正在服役的材料和小樣本情況。因此，鄭州大學(xué)的張建偉教授團(tuán)隊(duì)提出了一種基于劃痕測(cè)試的替代方法，用以測(cè)定金屬材料的斷裂韌性。

通過拉伸測(cè)試和緊湊拉伸測(cè)試得到四種不同金屬材料的拉伸和斷裂性能，測(cè)試所用試樣如圖1所示。通過維氏壓頭對(duì)材料進(jìn)行劃痕測(cè)試，圖2為劃痕測(cè)試示意圖。將通過劃痕測(cè)試得到的斷裂韌性與緊湊拉伸測(cè)試得到的斷裂韌性進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證替代方法的準(zhǔn)確性。

圖1 （a）拉伸測(cè)試與（b）緊湊拉伸測(cè)試試樣示意圖。

圖2 劃痕測(cè)試示意圖（a）正視圖，（b）側(cè)視圖，（c）俯視圖。

基于線性彈性斷裂力學(xué)的假設(shè)可以得到刮頭切向力與材料斷裂韌性Kc、壓頭與樣品表面的夾角θ、壓頭與材料接觸面的周長(zhǎng)p等有關(guān)（式1）。通過對(duì)該式進(jìn)行簡(jiǎn)化可得本文考慮拉伸強(qiáng)度和延展性后（UT為拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的乘積）所修正的線性彈性斷裂力學(xué)模型（Modified Model）（式2）。通過如圖3所示的流程圖可以經(jīng)由兩次不同深度的劃痕測(cè)試來測(cè)得材料的斷裂韌性。

（1）

（2）

圖3 通過修正的線性彈性斷裂力學(xué)模型得到斷裂韌性的流程圖。

通過現(xiàn)有的線彈性斷裂力學(xué)（LEFM）模型、Akono的微觀能量尺寸效應(yīng)定律（MESEL）模型、Hubler的MESEL模型、Liu的MESEL模型以及文章所使用的修正的線性彈性斷裂力學(xué)模型將測(cè)試得到的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到不同的斷裂韌性結(jié)果，不同模型之間的差異如圖4所示。

圖4 用來得到斷裂韌性的不同理論模型。

將結(jié)果與緊湊拉伸測(cè)試所得到的斷裂韌性進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，修正模型在計(jì)算金屬材料的斷裂韌性方面具有較高的準(zhǔn)確性（圖5）。但劃痕深度較小時(shí)，劃痕的產(chǎn)生主要由塑性變形導(dǎo)致，劃痕中并沒有明顯的裂紋，此時(shí)該模型對(duì)斷裂韌性的計(jì)算準(zhǔn)確度不夠理想（圖6）。

圖5 不同材料LEFM模型、Akono的MESEL模型、Hubler的MESEL模型、Liu的MESEL模型以及修正的線性彈性斷裂力學(xué)模型所得到的斷裂韌性與緊湊拉伸測(cè)試（CT）得到的斷裂韌性進(jìn)行對(duì)比，（a）18CrNiMo7-6,（b）DP800,（c）4140,（d）4340。

圖6 不同法向載荷下18CrNiMo7-6的劃痕微觀形貌，（a）5N;（b）10N;（c）15N;（d）20N;（e）25N;（f）30N;（g）35N;（h）40N;（i）45N;（j）50N。

研究提出了一種基于劃痕測(cè)試的金屬材料斷裂韌性測(cè)試方法，能夠較為準(zhǔn)確地評(píng)估材料的斷裂韌性。該方法僅需進(jìn)行兩次不同劃痕深度的測(cè)試，即可估算未知材料的斷裂韌性。在理論模型的開發(fā)中，結(jié)合材料的微觀和宏觀特性可以進(jìn)一步提高模型的準(zhǔn)確性和適用性。但該方法是否能推廣到脆性高分子材料中還需繼續(xù)進(jìn)行驗(yàn)證。

相關(guān)研究論文“Fracture toughness testing of metallic materials based on scratch tests"已發(fā)表在《Theoretical and Applied Fracture Mechanics》