最新Science：拉伸裂紋重大發(fā)現(xiàn)！?。?/h1>

2023-07-31

技術(shù)文章

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【導(dǎo)讀】

     材料如何斷裂？裂紋擴(kuò)展的速度有多快？這是材料科學(xué)和工程學(xué)中的一個(gè)重要問(wèn)題，因?yàn)樗苯佑绊懖牧系膹?qiáng)度、韌性和可靠性。在張力作用下，材料中的應(yīng)力在接近裂紋的體積中被放大，當(dāng)勢(shì)能超過(guò)材料的斷裂能時(shí)，裂紋將向斷裂傳播。一般認(rèn)為，移動(dòng)裂紋的最大速度不能超過(guò)瑞利波速c_R。在裂紋附近，遠(yuǎn)程施加的應(yīng)力被放大到近似奇點(diǎn)。裂紋運(yùn)動(dòng)受能量平衡原理指導(dǎo)：從大尺度（系統(tǒng)尺寸）流向裂紋的存儲(chǔ)勢(shì)能通量與材料的斷裂能相平衡時(shí)，就會(huì)發(fā)生斷裂。在保持能量平衡的同時(shí)，裂紋速度（v）會(huì)平穩(wěn)加速到c_R。超過(guò)c_R時(shí)，斷裂力學(xué)預(yù)測(cè)進(jìn)入裂紋的能量通量將變?yōu)樨?fù)值，從而使v>c_R不符合實(shí)際情況。這一速度限制的例外情況可能發(fā)生在由剪切荷載驅(qū)動(dòng)的裂縫中。具有有限尺寸耗散區(qū)的裂紋的分析解預(yù)示著正能量流入“超剪切"裂紋，其速度介于剪切波速度和擴(kuò)張波速度之間。通常認(rèn)為由拉伸載荷驅(qū)動(dòng)的裂紋受c_R的限制。該極限以及線彈性斷裂力學(xué)預(yù)測(cè)的相應(yīng)運(yùn)動(dòng)方程已通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到證實(shí)。將經(jīng)典斷裂擴(kuò)展到超彈性材料預(yù)測(cè)拉伸裂紋可能會(huì)超過(guò)c_R。然而，仍然缺乏明確的實(shí)驗(yàn)證據(jù)和對(duì)超剪切拉伸斷裂的基本理解。

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【成果掠影】

近日，Jay Fineberg教授團(tuán)隊(duì)使用脆性水凝膠作為模型材料，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了超過(guò)橫波速度的“超剪切"拉伸裂紋的存在，這種斷裂模式是在臨界（取決于材料）應(yīng)變下產(chǎn)生的。這種非經(jīng)典的拉伸斷裂模式代表了我們對(duì)斷裂過(guò)程認(rèn)識(shí)的根本轉(zhuǎn)變。相關(guān)的研究成果以“Tensile cracks can shatter classical speed limits"為題發(fā)表在science上。

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【核心創(chuàng)新點(diǎn)】

作者發(fā)現(xiàn)了超剪切裂紋的存在，超剪切裂紋平滑地加速到超過(guò)cR的速度，速度可能接近膨脹波速度，并發(fā)現(xiàn)超剪切動(dòng)力學(xué)的行為與經(jīng)典裂紋理論不同。

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【數(shù)據(jù)概覽】

圖1  亞音速和超剪切裂紋的實(shí)驗(yàn)裝置和示例。  ©2023 AAAS

圖2 有和沒(méi)有弱層的典型實(shí)驗(yàn)。 ©2023 AAAS

圖3  超剪切裂紋的應(yīng)變場(chǎng)依賴(lài)性。  ©2023 AAAS

圖4  超剪切裂紋動(dòng)力學(xué)。  ©2023 AAAS

圖5  超剪切裂紋對(duì)凝膠化學(xué)成分的依賴(lài)性

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【成果啟示】

綜上所述，作者使用脆性新胡克材料，發(fā)現(xiàn)了超過(guò)橫波速度c_R的“超剪切"拉伸裂紋的存在，并證明了超剪切動(dòng)力學(xué)的原理與經(jīng)典裂紋的原理不同。這項(xiàng)研究不僅可以為開(kāi)發(fā)能夠承受更高應(yīng)力和應(yīng)變的新材料提供新思路，還可以為材料斷裂和變形的基本機(jī)制提供新的見(jiàn)解，為預(yù)測(cè)和控制材料行為的新理論和模型的發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)。

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