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？裂紋擴展的速度有多快？這是材料科學(xué)和工程學(xué)中的一個重要問題，因為它直接影響材料的強度、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)勢能超過材料的斷裂能時，裂紋將向斷裂傳播。一般認(rèn)為，移動裂紋的最大速度不能超過瑞利波速c_R。在裂紋附近，遠(yuǎn)程施加的應(yīng)力被放大到近似奇點。裂紋運動受能量平衡原理指導(dǎo)：從大尺度（系統(tǒng)尺寸）流向裂紋的存儲勢能通量與材料的斷裂能相平衡時，就會發(fā)生斷裂。在保持能量平衡的同時，裂紋速度（v）會平穩(wěn)加速到c_R。超過c_R時，斷裂力學(xué)預(yù)測進入裂紋的能量通量將變?yōu)樨?fù)值，從而使v>c_R不符合實際情況。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張波速度之間。通常認(rèn)為由拉伸載荷驅(qū)動的裂紋受c_R的限制。該極限以及線彈性斷裂力學(xué)預(yù)測的相應(yīng)運動方程已通過實驗得到證實。將經(jīng)典斷裂擴展到超彈性材料預(yù)測拉伸裂紋可能會超過c_R。然而，仍然缺乏明確的實驗證據(jù)和對超剪切拉伸斷裂的基本理解。

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【成果掠影】

近日，Jay Fineberg教授團隊使用脆性水凝膠作為模型材料，通過實驗證明了超過橫波速度的“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斷裂過程認(rèn)識的根本轉(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】

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cR的速度，速度可能接近膨脹波速度，并發(fā)現(xiàn)超剪切動力學(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驗裝置和示例。  ©2023 AAAS

圖2 有和沒有弱層的典型實驗。 ©2023 AAAS

圖3  超剪切裂紋的應(yīng)變場依賴性。  ©2023 AAAS

圖4  超剪切裂紋動力學(xué)。  ©2023 AAAS

圖5  超剪切裂紋對凝膠化學(xué)成分的依賴性

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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，并證明了超剪切動力學(xué)的原理與經(jīng)典裂紋的原理不同。這項研究不僅可以為開發(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制提供新的見解，為預(yù)測和控制材料行為的新理論和模型的發(fā)展做出巨大貢獻。

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