河北工程大学土木工程学院河北邯郸056038
摘要：功能梯度材料（FGM）是一种新型可设计材料，由于其结构和性能的优异特性，使其成为材料领域的研究热点之一。本文对功能梯度材料的断裂行为的实验研究进行了综述，列举了国内外关于功能梯度材料断裂行为的实验研究成果，最后探讨了功能梯度材料断裂行为所面临的挑战并提出了进一步发展的方向。
关键词：功能梯度材料；实验研究；断裂；裂纹
Progressinexperimentalresearchonfracturebehavioroffunctionallygradedmaterials
BAIXue
(CollegeofCivilEngineering,HebeiUniversityofEngineering,HebeiHandan,056038)
Abstract：functionalgradientmaterial(FGM)isanewtypeofdesignmaterial,becauseofitsexcellentstructureandproperties,ithasbecomeoneoftheresearchhotspotsinthefieldofmaterials.Inthispaper,theexperimentalresearchonfracturebehavioroffunctionallygradedmaterialsisreviewed,andtheexperimentalresultsonfracturebehavioroffunctionallygradedmaterialsathomeandabroadarelisted.Finally,thechallengesfacingthefracturebehavioroffunctionallygradedmaterialsarediscussedandthedirectionforfurtherdevelopmentisputforward.
Keywords：functionallygradedmaterials;experimentalresearch;fracture;crack.
0引言
功能梯度材料(英文简称FGM)作为一种新型的可设计复合材料，由于其具备优于普通材料的耐高温、耐热冲击以及缓和热应力等性能而备受关注，被广泛应用于多个领域[1]。目前有关功FGM断裂力学问题的研究逐步增多，相对于理论研究而言，FGM断裂行为的实验研究十分具有挑战性，因为FGM的制备工艺复杂而且费用很高，大尺度的功能梯度材料更加难以制备，然而小尺寸的试件很难提取试验数据，导致有些现象难以观测。尽管实验研究难度较大，但还是有一部分学者成功地通过实验研究了功能梯度材料的断裂行为。
1相干梯度敏感方法（CGS）
相干梯度敏感方法是一种具有在线空间滤波效果的非接触、全场横向双栅剪切干涉光测方法。与其他的实验方法相比，该方法具有光路比较简单、可以调控灵敏度、受到外界震动的影响小等优点。
Butcher等[2]用CGS法对玻璃微珠/环氧体系的FGM裂纹尖端位移场进行了测量，当时的裂纹处于均匀材料与FGM的界面上而且垂直于材料的梯度方向。Rouseau和Tippur[3,4]对于平行和垂直梯度方向裂纹的裂尖应力场以及应力强度因子做了研究，采取CGS法测量了静态加载以及动态加载时裂尖扩展和变形的状态。Kirugulige和Tippur[5]在低速冲击载荷作用下对玻璃填充的环氧树脂FGM进行了混合型动态断裂实验，利用相干梯度传感和高速摄影的光学方法绘制裂纹萌生前后的瞬态裂纹尖端变形图。后来，他们对偏心冲击载荷下初始裂纹在成分梯度方向的边缘裂纹FGM梁进行了研究。利用光学干涉技术和高速摄影技术测量裂纹尖端附近的表面变形[6]。
刘栋梁等[7]通过光降解方法制备了材料性能连续变化的梯度材料，利用相干梯度敏感方法干涉测量技术对三种不同材料功能梯度材料试件的静态断裂力学性能进行了实验研究。许蔚[8]利用相干梯度敏感方法研究了功能梯度材料I型静态断裂特性，分析了功能梯度材料I型静态裂纹尖端的K主导区范围。
2数字散斑相关方法（DSCM）
数字散斑相关方法需要采集结构表面在变形前以及变形后的两个图像，即散斑场，然后对这两个图像做相关的处理，从而测量出物体的变形。与其它的光测力学方法相比而言，数字散斑相关方法对于工作环境没有太高的要求，而且其测试原理比较简单而且易于进行数据处理。
Li等[9]采取紫外线照射聚合物的方法，制备了乙烯/一氧化碳共聚物的FGM试件，然后采用DSCM法对该试件的I型准静态断裂行为进行了分析。Abanto-Bueno和Lambros[10-12]利用数字成像干涉法测定了功能梯度材料中的裂纹扩展阻力曲线，并分析得到了I型裂纹的K主导区范围。
许蔚等[13]将玻璃微珠加入到环氧树脂中，利用重力沉降法制得了功能梯度材料试件。然后采取数字散斑相关方法分析了FGM的I型静态断裂特性。金鑫等[14]通过粉末冶金法制得NiCr/ZrO2系FGM试件，并用其研究了材料梯度对于混合型断裂行为的影响。采用数字散斑相关方法测量了Ⅰ、Ⅱ型应力强度因子。
3云纹干涉方法
云纹干涉法是一种非接触式的、可以测得全场位移而且具有高灵敏度的测量方法。云纹干涉法的应用范围很广，不仅可以用于测量转角、位移和应变等，还适用于高温环境以及动态测量中。
Tilbrook等[15]以层状多孔氧化铝体为实验材料，研究了在层状、梯度氧化铝环氧复合材料中初始取向平行于层的裂纹扩展行为。通过云纹干涉法利用有限元分析软件预测了该试件的裂纹尖端应力场和裂纹扩展路径。程军等[16,17]通过激光云纹干涉法记录了FGM紧凑拉伸试件的全场位移，并总结出FGM裂纹扩展的规律。
4焦散线方法
焦散线方法用到了几何光学中的映射关系，把结构复杂的变形情况转变为简洁清楚的阴影光学图形，即焦散线。然后测量并计算焦散线的特征长度，从而获得相关的力学参量。
姚学锋等[18-20]基于焦散线方法，利用高速摄影技术针对玻璃微珠/环氧树脂系FGM的I型和III型动态断裂问题进行了研究。研究发现：在同种载荷条件下，在弹性模量较大侧的裂纹，其应力强度因子最大，在弹性模量较小侧的最小。对于均匀材料而言，其应力强度因子居于前两种情况的中间。
5光弹方法
光弹方法基于光学中的双折射现象，对研究体的光弹性现象进行分析从而得到其内部应力的状态。光弹方法具有许多优点，例如可以反映全场应力、能够获得准确的剪切应力等等，然而其最大的缺点是，由于通常FGM都不是透明的，所以结构表面必须贴上光弹性材料薄片。
Parameswaran和Shukla[21]结合光弹技术以及高速摄影技术研究了沿裂纹扩展方向的四种不同性质变化的动态裂纹扩展现象，研究了这些性质变化对裂纹扩展速度、裂纹跳跃距离和动应力强度因子的影响。Jain和Shukla[22,23]用一个详细的分析和实验来研究Ⅰ型和混合型加载条件下功能梯度材料的动态断裂行为。采用动态光弹技术和高速摄影系统得到了裂纹尖端附近的裂纹尖端速度和动态应力场。
6结语
本文综述了功能梯度材料断裂行为的实验研究进展，通过实验研究，人们得到了裂纹尖端变形和扩展情况，研究了裂纹尖端应力场和应力强度因子，分析了K主导区范围，发现了弹性模量的梯度变化对裂纹尖端的影响。由于问题的复杂性和挑战性，在FGM断裂的实验研究领域还有很多尚未解决的问题，比如裂纹在不同组分间的扩展行为及路径、多场耦合功能梯度材料动态断裂、多裂纹间相互作用下功能梯度材料断裂等。FGM断裂行为的研究离不开实验的支持，在理论分析与数值模拟的同时还应该多做实验研究，希望功能梯度材料可以有更好的性能优化，能用来解决更多的实际问题。
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