最新Science：拉伸裂紋重大發(fā)現(xiàn)！?。?/h1>

2023-07-31

技術文章

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【導讀】

     材料如何斷裂？裂紋擴展的速度有多快？這是材料科學和工程學中的一個重要問題，因為它直接影響材料的強度、韌性和可靠性。在張力作用下，材料中的應力在接近裂紋的體積中被放大，當勢能超過材料的斷裂能時，裂紋將向斷裂傳播。一般認為，移動裂紋的最大速度不能超過瑞利波速c_R。在裂紋附近，遠程施加的應力被放大到近似奇點。裂紋運動受能量平衡原理指導：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，斷裂力學預測進入裂紋的能量通量將變?yōu)樨撝?，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)生在由剪切荷載驅動的裂縫中。具有有限尺寸耗散區(qū)的裂紋的分析解預示著正能量流入“超剪切"裂紋，其速度介于剪切波速度和擴張波速度之間。通常認為由拉伸載荷驅動的裂紋受c_R的限制。該極限以及線彈性斷裂力學預測的相應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識的根本轉變。相關的研究成果以“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  超剪切裂紋的應變場依賴性。  ©2023 AAAS

圖4  超剪切裂紋動力學。  ©2023 AAAS

圖5  超剪切裂紋對凝膠化學成分的依賴性

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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)能夠承受更高應力和應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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