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小木虫论坛-学术科研互动平台 » 材料区 » 金属 » 交流互助 » 应力强度因子Kic的重要性是什么
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yujunhui

银虫 (著名写手)

[交流] 应力强度因子Kic的重要性是什么

最近在看金属断裂方面的书籍及文献，好多人研究应力强度因子K，但是并没有说出应力强度因子K的研究的意义，现在看到学者对其解释如下：
1 应力强度因子K表征了裂纹的特征，表征了裂纹尖端附近应力应变弹性场的强度。
2 应力强度因子控制了裂纹尖端附件的整个弹性场，不只是表示应力应变的大小，而且表示了整个场的能力。
3 应力强度影子可以显示裂纹扩展的能力。

对于以上观点我存在以下疑问:
  应力强度因子表征了裂纹的特征，应变场的强度，及应力大小及能量，并且描述裂纹扩展的能力，
是否可以这样为，应力强度因子大，裂纹就容易扩展。
既然应力强度因子是材料固有的本性，怎么用他来研究裂纹有什么用？我是说如何应用与应力强度因子来判断裂纹是否扩展.

w我是初学断裂学，请指点？
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1楼 2012-10-02 12:15:09
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donatello

金虫 (著名写手)
★
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建议楼主找些fracture mechanics的书来从头好好研读一下。书里基本都会讲到K值的由来：先从分析应力集中系数开始。其实，K就是另一种形式的特殊的应力集中系数，其所反映的就是裂纹尖端应力场奇异性的程度。所以，二楼说的“个人认为应力强度因子主要与材料的组织有关”是不对的，K跟材料的组织没有任何关系，只跟裂纹几何形状（裂纹尖端的曲率半径以及裂纹长度有关），这一点可以从K值的定义式知道。KIC的全称叫做“张开形裂纹的平面应变断裂韧性”（对应当然还有KII和KIII，分别别剪切形和撕裂形）。楼主可以翻阅一下A-S-T-M E-399，里面对于KIC的实验标准有明确要求。其中Kq值需要满足两个判定条件：裂纹足够尖锐，试件足够厚，这样的Kq才可以被判定为KIC。KIC就是一个门槛值：KKIC，裂纹会发生失稳扩展；在K=KIC的临界状态，裂纹可能扩展也可能不扩展，这取决于后续能量的增减，如果K=KIC，但是能量有略微的增加，那裂纹会发生缓慢扩展，直到K值重新等于KIC，达到新的平衡。这种缓慢扩展，新平衡有规律的交替出现其实就是裂纹的稳定扩展。当裂纹长度达到一定值，只要系统内微弱的能量增加就能引起裂纹巨大扩展的时候，就是失稳了。也就是说，新平衡难以再建立的时候，就会发生失稳扩展。KIC表征了材料抵抗疲劳裂纹扩展的能力，现在是工程材料的一个重要指标，特别是对于服役条件下要承受疲劳载荷的材料（比如汽车轴承，FJ蒙皮，火车轮轴等）。举个简单的例子，一种材料要上FJ，那它的KIC必须要达标。
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金陵道士
11楼2012-10-06 16:11:13
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phoenix7573

金虫 (著名写手)
★ ★ ★ ★
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yujunhui: 金币+3, 说的很精辟，谢谢！ 2012-10-03 19:55:28
K参数是用来表征裂纹周围的应力场 应变场强度没错
K参数的建立主要是因为 裂纹的引入改变了周围应力、应变的分布，使得抗拉强度不能再作为评价材料是否失效的标准
而KIC指的是 含有裂纹的物体 在断裂之前裂纹尖端所承受的最大应力强度因子
由于在线弹性范围内，KIC是一个临界值，即一旦K超过KIC，则裂纹将迅速失稳，扩展，断裂。

我想你可能将应力强度因子K 跟平面应变断裂韧性KIC的概念有些混淆，他们之间的关系就像应力和抗拉强度一样

裂纹尖端的应力强度因子K 越大 只能说明这个时候裂纹尖端的应力集中越明显，至于裂纹会不会扩展，容不容易扩展，还要看材料的断裂韧性KIC、JIC等。举个例子，对铝合金来说，如果K到了30 MPa m^0.5那基本上就断了，但是对于钢来说，K=30MPa m^0.5离断裂还很远。因为铝合金的KIC通常也就20-30MPa m^0.5，而钢铁至少也有100MPa m^0.5，你可以把KIC跟抗拉强度类比一下就比较好理解了。
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5楼2012-10-02 21:58:02
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lixinfeng__

木虫 (正式写手)
★ ★ ★ ★
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悠然zx11: 金币+3, 好见解 2013-06-10 20:40:39
说说我的理解：
    应力场强度因子是用在存在裂纹的材料中，类似于屈服强度，用在无裂纹材料的设计。
     1）根据材料塑形的好坏，裂纹尖端会产生线弹性应力应变场（只发生弹性变形或塑形区很小与裂纹相比）和弹塑性应力应变场（裂纹尖端产生很大的塑性区）。而Kc(包括1，2,3型裂纹)是弹性应变场的指标，对于弹塑性有相应的指标（J积分和CTOD）。对于如何区分弹性应变场和弹塑性应变场。有两种方法：试验(将做好的标准CT试样直接拉伸，材料裂纹扩展直到失稳扩展，为弹性应力应变场；相反拉伸过程中会发生塑形变形为弹塑性应力应变场)和理论计算（根据国标，依据材料性能估计，测试，将试验结果验证，符合就是线弹性应变场）
   2）应力场强度因子反应裂纹尖端附近的应力应变场，由于应力集中所致产生不同的应力场。与裂纹的形状，应力大小和裂纹长度有关（依据公式来的）。对于三种加载方式，拉开性最危险，因此经常测量K1C(由于线弹性应力应变场一产生裂纹就会发生失稳扩展，所以其反应的是失稳扩展的临界值).对于给定材料，K1C与试样厚度有很大关系。随着厚度增加其值逐渐减小，最后趋于稳定。（在拉开时，裂纹前沿产生很大的拉应力，使试样有沿厚度方向产生收缩的趋势，而试样中间因两边约束，不能自由收缩，产生3向拉应力，使试样不发生塑形变形，脆性开裂，k值降低。K趋于稳定时的为平面应变断裂韧度。）因此，我们所测的K1C基本都是拉开性平面应变断裂韧性，k1c。
3）测量k1c有三点弯曲法，紧凑拉伸试样还有c形圆盘试样。
4）对于你提的问题：应力场强度因子越大（必须大于K1C），裂纹才发生失稳扩展；小于临界值，裂纹不扩展或产生。  至于k1c的运用：可以参考课本后面的例子：在一定的应力下，计算裂纹的临界尺寸或在一定的裂纹长度下，计算最大应力。
  
  ps：个人觉得断裂韧性只有在髙强度和重要零件中设计时才考虑。
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17楼2013-05-28 10:23:50
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遇见红豆

新虫 (正式写手)
★ ★
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yujunhui: 金币+1, 似乎没有说完 2012-10-03 19:56:15
判断裂纹扩展能力 是用断裂韧度的 它指的是临界或者失稳状态的应力场强度因子   应力强度因子是和工件厚度有关的
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7楼2012-10-03 11:35:43
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donatello

金虫 (著名写手)
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小木虫: 金币+0.5, 给个红包，谢谢回帖
引用回帖:
16楼: Originally posted by 金陵道士 at 2013-05-28 02:21:49
谢谢。追问一下，KIC值跟材料变形过程中的本构方程有关系吗？或者说可以建立关系吗...

应该可以。涉及到损伤的有限元法种会有一个D用来代表损伤（Damage）。D值在0到1之间：0表示试件完好，1表示试件完全断裂。我只了解这些。但是我觉得，可以把KIC值作为一个判定D值变化的条件：既当材料的某个量达到KIC的某个表达式时，表示D值会变大，也就是发生断裂过程；相反，则D值保持不变，也就是裂纹不发生扩展。我没做过这方面，不知道说得对不对，只是有这种感觉。仅供参考。
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19楼2013-05-29 01:39:45
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普通回帖

不可理喻_

金虫 (小有名气)
★
小木虫: 金币+0.5, 给个红包，谢谢回帖
路过，帮忙顶，我也不懂
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2楼2012-10-02 12:36:49
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jokey007

铜虫 (正式写手)
★ ★
小木虫: 金币+0.5, 给个红包，谢谢回帖
yujunhui: 金币+1, 应力强度因子与组织有关，拿定义裂纹扩展的时候直接用组织描述就行了，为什么还要用应力强度因子整个参数？ 2012-10-02 21:08:22
个人认为应力强度因子主要与材料的组织有关，它是材料内部应力集中程度的反应，应力集中越明显，应力强度因子越大，裂纹越容易产生与扩展。而组织是关键因素，例如晶界上与二次硬化相周围的位错堆积就会造成应力集中，因此其周围的应力强度因子就大，裂纹也就容易生成与扩展~
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3楼2012-10-02 13:05:18
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szqi_75

至尊木虫 (知名作家)
★ ★
小木虫: 金币+0.5, 给个红包，谢谢回帖
yujunhui: 金币+1 2012-10-02 21:08:47
应力强度因子就是一个基准,过了这个线,疲劳裂纹会扩展,可能引起断裂,如果没有超,裂纹就不会扩展,构件就相对安全.
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4楼2012-10-02 20:43:24
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zengflgx

铜虫 (著名写手)
★ ★
小木虫: 金币+0.5, 给个红包，谢谢回帖
yujunhui: 金币+1, 感觉只是打了个酱油！ 2012-10-03 19:55:50
应力强度因子是一个非常重要的概念 在工程中也有广泛的应用！！！
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6楼2012-10-03 05:42:26
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湖水东流

金虫 (正式写手)
路过，顶下
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8楼2012-10-06 11:04:35
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luqiongyan

新虫 (初入文坛)
★
小木虫: 金币+0.5, 给个红包，谢谢回帖
K越高表明难以断裂
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12楼2012-10-26 18:54:43
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金陵道士

金虫 (小有名气)
★
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送红花一朵
引用回帖:
11楼: Originally posted by donatello at 2012-10-06 16:11:13
建议楼主找些fracture mechanics的书来从头好好研读一下。书里基本都会讲到K值的由来：先从分析应力集中系数开始。其实，K就是另一种形式的特殊的应力集中系数，其所反映的就是裂纹尖端应力场奇异性的程度。所以，二 ...

你说KIC跟材料组织没有任何关系，那为什么在同样的条件下（试样形状、测试方法、测试环境等）测量断裂韧性KIC，不同组织的合金（比如钛合金）其断裂韧性的值差别却很大，这个是为什么呢？难道KIC的不同不是因为组织发生变化的缘故吗？请高手解释一下。你上面的说法让我有点迷茫
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13楼2013-05-27 22:49:34
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金陵道士

金虫 (小有名气)
★
小木虫: 金币+0.5, 给个红包，谢谢回帖
引用回帖:
11楼: Originally posted by donatello at 2012-10-06 16:11:13
建议楼主找些fracture mechanics的书来从头好好研读一下。书里基本都会讲到K值的由来：先从分析应力集中系数开始。其实，K就是另一种形式的特殊的应力集中系数，其所反映的就是裂纹尖端应力场奇异性的程度。所以，二 ...

我查了一些资料，“合金成分、微量元素、夹杂物和第二相、显微组织与晶粒度是控制断裂韧度的关键因素”，我也想了一下，这个应该比较可靠，兄弟，你考虑下你的说法是否正确。
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14楼2013-05-27 22:57:31
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donatello

金虫 (著名写手)
★
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引用回帖:
14楼: Originally posted by 金陵道士 at 2013-05-27 15:57:31
我查了一些资料，“合金成分、微量元素、夹杂物和第二相、显微组织与晶粒度是控制断裂韧度的关键因素”，我也想了一下，这个应该比较可靠，兄弟，你考虑下你的说法是否正确。...

K值跟组织没有关系，仅跟裂纹几何有关，KIC值跟材料有关。
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15楼2013-05-28 00:49:23
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金陵道士

金虫 (小有名气)
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15楼: Originally posted by donatello at 2013-05-28 00:49:23
K值跟组织没有关系，仅跟裂纹几何有关，KIC值跟材料有关。...

谢谢。追问一下，KIC值跟材料变形过程中的本构方程有关系吗？或者说可以建立关系吗
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16楼2013-05-28 09:21:49
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lixinfeng__

木虫 (正式写手)
★
小木虫: 金币+0.5, 给个红包，谢谢回帖
补充一下：
k是裂纹尖端应力应变场，距尖端位置 不同，其大小也不同。离裂纹尖端越近值越大；如果外加应力不断增大，k值也随着增大，当达到一定值时裂纹就失稳扩展，此时的k值为k1c
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18楼2013-05-28 10:28:42
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bobo15945

新虫 (小有名气)
★
小木虫: 金币+0.5, 给个红包，谢谢回帖
K只能表明局部区域应力集中的程度  众所周知  材料的断裂都是因为局部应力高于材料的断裂强度而发生的  因此 要看裂纹是否容易扩展  应该看断裂韧性KIC的大小   在这里必须说明的是  K是变量   KIC参量
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20楼2013-07-08 12:25:22
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yjj122500

新虫 (初入文坛)
★
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当裂纹尖端应力强度因子大于材料的断裂韧性，裂纹就会扩展！
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21楼2014-03-22 14:45:57
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leo545

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5楼，11楼，,17楼合起来够全面了
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22楼2014-03-22 14:55:16
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wyzhaoshuai

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4楼: Originally posted by szqi_75 at 2012-10-02 20:43:24
应力强度因子就是一个基准,过了这个线,疲劳裂纹会扩展,可能引起断裂,如果没有超,裂纹就不会扩展,构件就相对安全.

您说的是断裂韧度吧。。。
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23楼2015-04-28 10:33:29
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猪萝卜22

新虫 (初入文坛)
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对于你描述的"在K=KIC的临界状态，裂纹可能扩展也可能不扩展，这取决于后续能量的增减，如果K=KIC，但是能量有略微的增加，那裂纹会发生缓慢扩展，直到K值重新等于KIC，达到新的平衡"，我不认同，你这种理解是有问题的。首先klc是不变的，随着裂纹长度a的增加，k也是不断变大的，也就是说一旦k大于klc，除了载荷变小，都会失稳。也就是不管外加能量增加多少，都会失稳，你描述的缓慢扩展直到又重新达到klc的说法就不准确了。所以说klc应该理解为裂纹扩展失稳的条件，而不是扩展发生的条件

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24楼2017-03-31 16:59:06
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yxu19869楼
2012-10-06 12:16   回复  
liu2004m10楼
2012-10-06 13:51   回复  
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