浅谈J积分法在测定材料断裂韧性中的应用

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浅谈 J积分法在测定材料断裂韧性中的应用

　　引言

　　伴随着日新月异的科学与技术，各个领域对材料的要求也逐渐增高，高强度材料构件日趋

增多，如高压容器、核电站设备、火箭发动机壳体等均采用高强度材料。这些材料在长期的使

用中，虽然可以以高强度保证构件不发生塑性变形及随后的韧性断裂，但却难以防止材料的脆

性破坏断裂。而且这种脆性断裂大多在远低于屈服强度的状态下突然发生，事先没有任何征

兆，一旦发生便造成巨大的损失。大量的断裂事例分析表明，工程上出现的脆性断裂事故总是

从构件自身存在的宏观缺陷或裂纹处开始。

　　断裂力学通过建立材料的裂纹尺寸、工作应力状态及材料抵抗裂纹失稳扩展能力几者的关

系，为零部件和设备的定性或定量的估计带有裂纹材料的寿命、安全运行，和拟定合理的选材

规定提供了可靠而新颖的理论依据。

　　断裂韧性定义为依据断裂力学发展而来的材料抵抗裂纹失稳扩展失效的韧塑性能。通常分

开来评价材料塑性和强度，测定强度的指标是在对材料恒定静载荷条件下获得的，冲击韧性是

通过摆锤重力作用做功来衡量试样的吸收功而测定的。断裂韧性既可以反应强度指标，又可以

反应韧性指标，从而集中地反映了材料的塑性和强度的好坏。通过测定材料的断裂韧性值，则

能推算出零件带有裂纹长度 a时的临界抗力，进而决定零件的安全承载应力范围；同样也能在

确定的承载范围内，计算裂纹的安全扩展的尺寸。由此，断裂力学认为断裂韧性可以材料成为

展现抵抗裂纹失效能力的性能标准，评价并预测不同环境中材料的断裂韧性值对工程零件强塑

性的设计具有很关键的意义。

　　 1　J 积分总述

　　对于延性材料，为了躲避开裂文尖端周围的塑性区，在 1968 年出现了 J积分的概念，其意

义在表达变形功的差率和积分路径并无关系。在后续的应用中，J积分成为裂纹和断裂的评判

标准。因而在延性断裂力学中 J积分的作用越来越显著。

　　 Begley 和Landes[1]等人发现了可以用能量释放率来确定 J积分及分析临界应力值的大小，

随后依据于延性断裂力学的断裂韧性确定方法有了长远的进展。

　　 J 不但可以诱导也能控制裂纹的扩展，则 J积分为不扩展裂纹和扩展裂尖应力、应变场的

单独变量。J积分不但表征了材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力，也是含有一定裂纹长度的材

料失稳扩展的特征参数。

　　 2　J 积分的性质

　　如果任选取两条不同的路径进行积分，在弹塑性条件下两个回路 J积分值是一样的，所以

J积分具备守恒性。正因为它的守恒性，任何的路径通过积分后对对结果不会产生任何影响，

所以使得裂尖的延性应力-应变场的强度通过 J积分唯一地表达，同时也能选择试样的规则或不

规则的边界选为积分回路，为 J积分的计算创了极大的便利条件[2]。

　　 J 积分不仅可以表示裂尖周围的应力-应变场的强度，J积分也是裂纹长度和外载荷的函

数，通过具体计算或选择合适的标定即可求出大小。当外载荷或裂纹长度两个变量某个单独增

加时，或两者同时增加时，J积分值则增加，那么也就说明裂尖的塑性变形区正在逐渐增大，

一直到产生钝化的裂纹前端启裂。并把此时以 J积分表示的J值定义为材料的断裂韧性

（JIc），JIc 是材料弹塑性裂纹失稳扩展（启裂）的依据。

　　 3　J 积分测试标准

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摘要：

浅谈J积分法在测定材料断裂韧性中的应用　　引言　　伴随着日新月异的科学与技术，各个领域对材料的要求也逐渐增高，高强度材料构件日趋增多，如高压容器、核电站设备、火箭发动机壳体等均采用高强度材料。这些材料在长期的使用中，虽然可以以高强度保证构件不发生塑性变形及随后的韧性断裂，但却难以防止材料的脆性破坏断裂。而且这种脆性断裂大多在远低于屈服强度的状态下突然发生，事先没有任何征兆，一旦发生便造成巨大的损失。大量的断裂事例分析表明，工程上出现的脆性断裂事故总是从构件自身存在的宏观缺陷或裂纹处开始。　　断裂力学通过建立材料的裂纹尺寸、工作应力状态及材料抵抗裂纹失稳扩展能力几者的关系，为零部件和设备的定性或...

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