论小尺度测试的断裂力学有效性

人们越来越关注进行小尺度测试，以获得对各种材料组件断裂行为的额外见解。例如，显微镜内部的微尺度力学测试（\emph{原位}）能够直接、高分辨率地观察裂纹扩展与微观结构现象（例如，位错行为或特定界面的断裂阻力）之间的相互作用，并且当只有有限数量的材料可用时，越来越多地使用亚尺寸样品。然而，为了获得定量见解并提取相关的断裂参数，样品必须足够大以存在 $J$-（HRR）场或 $K$-场。我们进行了数值和半解析研究，以绘制导致有效、定量断裂实验的条件（样品几何形状、材料）图谱。具体而言，针对大范围的材料属性、裂纹长度和样品尺寸，我们确定了 HRR 场不复存在时的 $J$ 积分最大值（即，为使测试有效，断裂必须发生在该最大 $J$ 值处，$J_\mathrm{max}$）。我们生成了图谱，以建立最大有效 $J$ 值（$J_\mathrm{max}$）作为屈服强度、应变硬化和最小样品尺寸的函数关系。然后利用这些图谱讨论现有的实验文献，并为如何进行定量实验提供指导。最后，我们的研究专门针对因暴露于氢而变脆的金属分析。将相关材料在含氢环境下的响应叠加在上述图谱上，以确定能够实现定量见解的条件。