固体材料的断裂(breaking)、疲劳(fatigue)与损伤(damage)力学前沿研究分享
文一：
微极弹性固体中反平面裂纹的裂纹尖端场
摘要：
由于存在涉及特征长度尺度的微观结构，骨骼、岩石和泡沫材料等极性材料通常具有复杂的断裂行为。然而，微极介质中反平面裂纹的近端场和局部裂纹模式仍不清楚。本文导出了微极弹性中反平面裂纹近端场的Williams渐近解。一个力应力强度因子（FSIF）和两个应力耦合强度因子（CSIF）是表征反平面裂纹尖端场的关键断裂参数。反平面裂纹的能量释放率与经典连续体的Rice J积分相似。然后，对三维微极固体引入了六种裂纹模式，即三种由FSIF控制的全局模式和三种由CSIF控制的局部模式。与经典的各向同性弹性不同，各向同性微极材料的裂纹尖端力场和耦合应力场的奇异项中出现了一个材料常数。此外，裂纹尖端场的渐近解中有六个常数项，即类似于经典断裂力学中T应力的三个常力应力和三个常耦合应力。随后，用FSIF和CSIF简明地表达了三维微极固体的J积分。可以观察到，通过扭转和弯曲特征长度归一化的CSIF在尺寸上等同于FSIF。这项工作为研究微极材料的断裂性能和裂纹扩展准则提供了理论依据。
图：微极介质中的反平面裂纹。
图：聚氨酯泡沫和骨的耦合应力
图：裂纹尖端周围的整体路径。
图：微观极性弹性的经典（宏观尺度）和局部（微观尺度）破裂模式（a）模式I：打开（b）模式II：滑动（c）模式III：撕裂（d）模式IV：局部拧紧（e）模式V：局部轧制（f）模式VI：局部弯曲。
图：(a)牛骨纵向骨折面和(b)横向骨折面的 SEM 显微照片。
文二：
层压板在非穿透冲击下的失效
摘要：
在没有穿透的低速冲击下，用有限数量的输入系统地模拟了层压板的各种失效，所有这些都可以在没有任何数据校准的情况下按照现有标准进行测量。不需要迭代来确定本工作中研究的任何失效。任何两个相邻的薄层（初级）层插入一个矩阵（次级）层，其应力通过两个修正系数（MC）进行修正。通过双悬臂梁的峰值载荷和单向层压板的端部缺口弯曲试验确定了MC，并显示了它们对样品尺寸的弱敏感性。分层是通过删除失效的二次层元素来再现的。通过作者的真应力理论，将桥接模型获得的纤维和基体的均化应力转换为真值，以估计成分引起的层内失效，如纤维断裂、基体裂纹和界面脱粘，与单独测量的单片纤维或基体强度相比。在与冲击器与目标分离相对应的冲击终止之前，删除达到致命失效（纤维断裂或基体裂纹伴随临界应变条件）的主要层元素。在不同的冲击能量下，三个层压角度的层压板的预测分层面积和冲击力、位移和能量历史与我们的测量结果一致，验证了模拟的有效性。
图：这项工作中的分析方法示意图。
图：（a）DCB和（b）ENF实验的示意图。
图：LVI实验示意图。
图：有限元建模流程图。
图：受到冲击的层压板的有限元离散化。
图：不同冲击能量下预测的层内失效。
图：在5J、10J和20J的冲击能量下对层压板的中间截面切口的显微镜观察。
图：复合材料中基体SCF的示意性定义，承受（a）横向张力，（b）横向压缩，其中“Ave线”代表平均线。
文三：
织构演变和缺陷对镍基高温合金电子束焊接接头裂纹萌生的影响
摘要：
电子束焊接（EBW）是一种高质量、精密的焊接工艺，在航空航天制造中得到了广泛的应用。本研究通过原位扫描电子显微镜（SEM）疲劳实验和X射线计算机断层扫描（CT）扫描技术，揭示了GH4169高温合金EBW接头在不同焊后热处理条件下的疲劳裂纹萌生和扩展机制。焊接气孔对直接时效处理焊接接头的疲劳性能有着决定性的影响。疲劳裂纹是由表面或地下的孔隙缺陷引起的。由于焊缝中的微观组织不均匀，疲劳裂纹倾向于沿一次枝晶轴和二次枝晶臂生长。此外，在均匀化和时效处理试样中，沿晶疲劳裂纹倾向于在大晶粒和孪晶边界的滑移区成核。尽管均匀化处理可以消除偏析，但它也会导致焊缝和母材中的显著晶粒生长。
图：（A） GH4169薄板电子束焊接宏观形貌研究。（B） 拉伸试样的几何形状。（C） 疲劳试样的几何形状。（D） 疲劳试件的有限元分析。
图：焊接接头的微观结构特征（DA处理）。（A） 焊接接头横截面的SEM图像。（B） 焊接接头横截面局部区域的SEM图像。（C） 焊缝的SEM图像。（D） 基材的SEM图像。（E） 焊缝根部的EBSD图像。（F） （E）的晶粒形状和晶界分析。
图：焊接接头的微观结构特征（HA处理）。（A） 焊接接头的SEM图像。（B） 焊缝局部区域的SEM图像。
图：焊接接头的裂纹萌生和扩展形态（DA处理）。（A） 75585次循环后焊接接头的整体原位裂纹萌生形态。（B） 第一个裂纹在孔隙缺陷处开始。（C） 基材中碳化物处的裂纹萌生。（D） 疲劳裂纹的非原位OM图像。（E） 孔隙缺陷中短裂纹萌生的SEM图像。（F） 短裂纹下部的SEM图像。（G） 短裂纹上部的SEM图像。
图：DA试样的断裂形态。（A） 总体断裂形态。（B） 疲劳裂纹萌生区的断裂形态。（C） 疲劳裂纹扩展区的断裂形态。（D） 最终断裂带的断裂形态。
图：焊接接头疲劳裂纹萌生和扩展机制示意图（DA处理）。（A） 焊接接头中裂纹萌生和扩展的总体示意图。（B） 晶粒内部小裂纹扩展示意图。
文四：
应力比下钛合金焊接接头超高周疲劳行为的微观组织和孔隙敏感性
摘要：
研究了TC17钛合金电子束焊接接头在不同应力比下的超高周疲劳行为。结果表明，焊接接头根据施加的应力比表现出不同的失效模式。随着应力比的增加，熔合区（FZ）中焊接孔隙引起的失效概率逐渐降低，使失效模式向母材（BM）中初级α相引起的疲劳失效转变。此外，细颗粒区边缘的应力强度因子被确定为长裂纹扩展的阈值。研究发现，FGA裂纹尖端塑性区的大小与FZ中通过再结晶析出的针状α相结构有关。进一步讨论了焊孔的有效尺寸和位置对疲劳寿命的影响。为了获得进一步的见解，对K-T图进行了改进。因此，确定了引起焊接接头裂纹的非裂纹扩展区和焊接孔隙的临界安全尺寸。此外，采用威布尔概率函数来确定导致焊接接头疲劳失效的焊接孔隙的平均尺寸。
图：TC17合金的双峰微观结构（a）和XRD图谱（b）。
图：TC17钛合金显微组织中αp相的元素分布。
图：VHCF状态下TC17合金EBW接头疲劳试样的几何形状：（a）详细尺寸；（b） 应力分布（单位：mm）。
图：元素分布分析：（a）HAZ附近；（b） 远HAZ；（c） BM；（d） 每个元素的质量分数。
图：（a） 根据AW EBW TC17合金接头的EBSD表征结果得出的IPF图、（b）相图、（c）KAM分布和（d）PF图。
图：TC17 EBW接头在不同应力比下的S-N曲线：（a）应力幅值与疲劳寿命的关系；（b） 最大应力与疲劳寿命。
图：焊接接头裂纹萌生区的晶间孔隙（a）、晶内孔隙（b）及其分数（c）。
图：不同应力比下焊接接头裂纹萌生孔隙率和FGA的应力强度因子与疲劳寿命的相关性。
图：（a） 焊接孔隙大小与疲劳寿命之间的关系；（b） 焊接孔隙深度与疲劳寿命之间的关系。
图：导致疲劳裂纹萌生的焊接孔隙的尺寸分布。
文五：
复合泡沫作为深海浮力材料的失效行为
摘要：
由嵌入基质材料中的中空颗粒制成的合成泡沫被广泛用作水下海洋结构的浮力材料，其中需要低密度和高机械性能。然而，在大多数工程材料中，密度的降低往往伴随着刚度和强度的降低。这种困境迫使我们在不同的应用场景中在它们之间取得平衡，这就需要深入理解句法泡沫中的结构-性质相关性。本文研究了复合泡沫在三轴压缩载荷作用下的力学性能。以颗粒破碎为主要失效模式，对复合泡沫的抗压强度进行了分析。对于在静水压力下具有高强度的复合泡沫，它们可能在偏应力的存在下容易失效。此外，我们还确定了与其他失效模式相关的临界条件，包括颗粒-基体界面分层和颗粒屈曲。该研究不仅揭示了深海复合泡沫的结构-性能关系，而且为复合泡沫的设计和优化提供了指导，对开发高性能水下结构具有重要价值。
图：显示句法泡沫模型的示意图。（a） 嵌入无限等效介质中的单个球形复合模型的表示。（b） 球形复合模型的尺寸。（插入：球面坐标系）。
图：有限元分析模拟了复合材料中的应力分布。
图：复合泡沫抗压强度对三轴状态的依赖性。
图：（a） 杨氏模量与密度的关系，以及（b）抗压强度与密度的Glass@Epoxy混合成的。
图：Ashby图显示了（a）聚合物基质复合泡沫和（b）金属基质复合泡沫中的杨氏模量与密度关系以及抗压强度与密度关系。
图：导致复合泡沫界面失效的临界载荷。
图：界面刚度对复合泡沫界面失效的影响。
图：导致复合泡沫中颗粒屈曲的临界载荷。
