基本介紹
- 中文名：破斷能
- 外文名：break energy
- 學科：斷裂力學
- 定義：裂縫擴展單位面積所需要的能量
- 別名：斷裂能
簡介,混凝土斷裂能,斷裂韌性,
簡介
破斷能（break energy）是指從材料拉伸開始到破斷為止拉伸所做的功除以拉伸前試片標線間的體積稱為破斷能，又稱斷裂能。由於該量表示的是單位體積的能量，故稱破斷能密度更確切。它也可以從應力一應變曲線與應變橫軸所夾部分的面積求得。
混凝土斷裂能
自從1961年Kaplan將斷裂力學的概念套用於混凝土並進行材料的斷裂韌度試驗以來，已經有四十多年的歷史。人們很快發現，將線彈性斷裂力學套用於混凝土並不成功。許多學者致力於這方面的改進，發展了多種非線性斷裂力學理論。在這些理論中，Hillerborg教授在1976年提出的虛擬裂縫模型(Fictitious Crack Model，簡稱FCM)受到廣泛重視。虛擬裂縫模型比線彈性斷裂力學更好地揭示了混凝土裂縫萌生和擴展規律，同時可以利用它計算出斷裂區長度及裂縫失穩前的亞臨界擴展長度。1985年，RILEM(國際結構與材料研究所聯合會)採納Hillerborg教授所提出的用三點彎曲試驗測試混凝土斷裂能的實驗方法為標準方法。
在使用虛擬裂縫模型進行結構的有限元分析時，混凝土的斷裂能是所採用的本構關係中必不可少的物理量。實際上，幾乎每一非線性斷裂模型的提出都依賴於這一參數。另外，在普通混凝土構件的設計中，如缺少抗剪鋼筋的梁和板的剪下破壞、素混凝土管道的拉裂破壞等，斷裂能亦是重要的力學性能指標，其重要性就如同常規的混凝土強度指標一樣。然而大部分研究者發現，對於幾何相似的混凝土試件，增大試件尺寸一般會引起斷裂能的增加。尺寸對於斷裂能的影響隨試件尺寸與骨料最大粒徑比值的增大而減少，當試件尺寸明顯大於骨料粒徑時，尺寸效應的影響就不太明顯。因此通過量測較大尺寸試件的斷裂能，可以得出沒有尺寸效應的混凝土真實斷裂能。然而，大多數實驗室不具備量測較大尺寸試件斷裂能的能力，為此通過測試小尺寸試件的斷裂能求得混凝土真實斷裂能方面的研究就顯得尤為重要。混凝土斷裂能測試方法有緊湊拉伸試驗、三點彎曲試驗和楔形劈裂試驗法等,其測試原理是相同的。緊湊拉伸試驗是斷裂力學中測定材料在平面應變受力狀態下斷裂韌性值的一種試驗。所用試樣稱緊湊拉伸試樣，具有同等測試能力試樣中體積最小的特點。三點彎曲試驗：這是斷裂韌性測試中套用最廣的一種。因試驗中對試樣進行三點彎曲載入而得名。楔形劈裂試驗法是用圓柱形岩樣在直徑方向上對稱施加沿縱軸向均勻分布的壓力使 之破壞，從而測定岩樣強度的一種試驗方法。
斷裂韌性
斷裂韌性表征材料阻止裂紋擴展的能力，是度量材料的韌性好壞的一個定量指標。在載入速度和溫度一定的條件下，對某種材料而言它是一個常數，它和裂紋本身的大小、形狀及外加應力大小無關，是材料固有的特性，只與材料本身、熱處理及加工工藝有關。當裂紋尺寸一定時，材料的斷裂韌性值愈大，其裂紋失穩擴展所需的臨界應力就愈大；當給定外力時，若材料的斷裂韌性值愈高，其裂紋達到失穩擴展時的臨界尺寸就愈大。它是應力強度因子的臨界值。常用斷裂前物體吸收的能量或外界對物體所作的功表示。例如應力-應變曲線下的面積。韌性材料因具有大的斷裂伸長值，所以有較大的斷裂韌性，而脆性材料一般斷裂韌性較小。
斷裂韌性在工程中受到重視的原因是，它表征與光滑試樣中強度特性完全相反的特性。例如，很粗略地說，同一系列的材料的斷裂韌性值隨屈服強度增加而下降。因此，儘管按屈服強度準則認為已進行十分安全設計的高強度材料的結構，由於其構件中某種原因或有缺陷或產生裂紋，甚至也會發生不穩定斷裂造成致命的損傷。由於材料屈服強度隨溫度下降而增大，在設計過程中未考慮低溫斷裂韌性的情形，也會造成同樣結果。過去結構物斷裂事故中，由於對上述斷裂韌性認識不足而發生的事故一定不少。一般地說，在不穩定斷裂之先，隨著載荷增加斷裂徐徐進行，即所謂穩定斷裂的情形不少。雖是一種穩定斷裂，但由於疲勞，應力腐蝕裂紋，蠕變等原因，裂紋擴展後轉變為不穩定斷裂的情形也不少。
如把臨界缺陷擴展稱為不穩定斷裂，把亞臨界缺陷擴展叫做穩定斷裂，不管穩定斷裂的內容如何，斷裂韌性均表示材料在穩定斷裂轉變為不穩定斷裂時的阻抗值。當然，斷裂韌性受事先進行的穩定斷裂的影響是明顯的。同時，我們知道斷裂韌性值有顯著的尺寸效應。尺寸效應是產生應力狀態和屈服範圍問題的原因，尤其是屈服範圍構成選擇表示斷裂韌性的力等參數問題。
