彈性、韌性、斷裂韌性
材料的力學性能（4）彈性、韌性、斷裂韌性
彈性 Resilience —— 恢復原狀的能力
（1）The resilience of the material is the triangular area underneath the elastic region of the curve.
材料的彈性，是指材料應力應變曲線中彈性階段下方的面積。對于彈性階段為線性的材料，就是計算屈服點以下的三角形面積。
Modulus of resilience，符號Ur，翻譯為“回彈能模量”。Ur=0.5σy^2/E，其中σy表示屈服強度，E表示彈性模量。這個名詞的中文翻譯中，有一個能量的“能”，預示著它是一種能量的度量。雖然單位與“彈性模量”（modulus of elastic）的單位一樣，都是Pa，但兩者有著不同的意義。
（2）The ability of a material to absorb energy when deformed elastically and to return it when unloaded is called resilience. In other words, it is the maximum energy per volume that can be elastically stored.
材料的彈性，用于描述材料在發生彈性變形時存儲彈性勢能的能力。換句話說，是指單位體積的材料所能存儲的最大彈性勢能。
這個定義，解釋了“回彈能模量”的單位：能量/體積。
能量，單位是J，等同于N·m（力×距離）。
體積，單位是m^3（立方米）。
所以，回彈能模量的單位是：N·m/m^3=N/m^2，即Pa。
韌性 Toughness —— 抵抗斷裂的能力
The area underneath the stress-strain curve is the toughness of the material- i.e. the energy the material can absorb prior to rupture.
材料的韌性：應力應變曲線下方的面積。即：發生斷裂前，單位體積的材料所吸收的能量。
需要注意韌性Toughness 和延展性Ductility之間的區別。
延展性好，指的是材料發生斷裂前，允許發生較大的塑性變形。延展性只關注塑性變形的大小。
韌性好，指的是材料發生斷裂前，能吸收較多的能量。韌性是材料強度和延展性的綜合體現。
夏比沖擊試驗Charpy test
夏比沖擊試驗，用于測定金屬材料韌性，試驗方法簡單描述如下：
將帶有V形缺口的標準試件，放置在擺錘試驗機底部的工作臺上。在高度h的初始位置釋放擺錘，讓其在在重力作用下擺動。擺錘經過最低位置時沖斷試件，然后擺動到另一側的最高點h'。根據h和h'之間的高度差，計算試件吸收的功（能量）：KV=mgh-mgh'。
試驗標準詳見：GBT 229-2007 金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法
斷裂韌性 Fracture Toughness
理解“斷裂韌性”Fracture Toughness 之前，首先要接受“所有材料都存在缺陷”這一事實。all materials contained flaws.
The occurrence of flaws is not completely avoidable in the processing, fabrication, or service of a material/component.
在材料/零件的加工、制造和服役過程中，無法避免會出現缺陷。這些缺陷包括：
Cracks 裂紋（可能是加工過程產生的裂紋，也可能是疲勞載荷產生的初始裂紋）
Voids 氣穴/縮孔（注塑過程中材料收縮產生的內部空穴）
Metallurgical inclusions 夾雜物
Weld defects 焊接缺陷
前面介紹的Toughness“韌性”，用于度量材料發生斷裂前所能吸收的能量。Fracture Toughness 翻譯為“斷裂韌性”，多了一個Fracture斷裂。但是，Toughness“韌性”的定義，本身就是關于斷裂的，再弄個Fracture Toughness“斷裂韌性”，豈不是多此一舉？
我們來看看Fracture Toughness的定義：
Fracture toughness is a property which describes the ability of a material containing a crack to resist fracture.
描述了材料的這樣一種能力：在含有裂紋的情況下，抵抗最終斷裂的能力。
Fracture toughness is an indication of the amount of stress required to propagate a preexisting flaw.
預示了使初始裂紋快速擴展需要多大的應力。
我們可以這樣理解Fracture Toughness：
1、它承認材料存在初始缺陷，研究的是材料在已有缺陷的情況下，還能承受多大的應力而不至于使裂紋快速擴展到最終發生斷裂。
2、它關注的是裂紋擴展的這個過程，而不是僅僅是發生斷裂這個結果。
因此，如果將Fracture toughness 翻譯為“阻止裂紋擴展的韌性”，可能更容易理解。
斷裂韌性的測試方法：E1820-11 Standard Test Method for Measurement of Fracture Toughness
下圖說明了toughness和Fracture toughness的區別。
Stress-intensity factor應力強度因子K，用來描述材料的斷裂韌性。有下圖三種斷裂模式，分別用羅馬數字Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示，應力強度因子分別為K1、K2、K3。
最常用的是第一種，mode Ⅰ，也稱為平面應變斷裂模式。應力強度因子K1的計算公式如下，單位是MPa(m)1/2.
不同的試件形狀和加載方式，對應不同的Y取值，列舉以下幾種：
在指定試件形狀和加載方式的情況下（Y恒定），我們可以測出不同的裂紋尺寸c，對應的平均應力σ達到多大時，會使裂紋快速擴散發生斷裂。并將斷裂的臨界應力強度因子記為K1c，其中c表示critical。
試驗表明，對于同一種材料，采用同一種測量方式對不同大小的試件、不用尺寸的裂紋進行測試，得到的K1c基本是一致的，也就是說，臨界應力強度因子K1c是一種材料的固有屬性。因此，斷裂韌性可以用K1c來進行量化。
