當(dāng)一個(gè)材料受到拉伸應(yīng)力時(shí)，它可能會(huì)產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致材料破裂。裂紋的運(yùn)動(dòng)是由能量平衡原理決定的，這個(gè)原理說(shuō)，當(dāng)裂紋前沿處的應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到材料的斷裂韌度時(shí)，裂紋就會(huì)擴(kuò)展。斷裂韌度是指單位面積上產(chǎn)生新的裂紋所需的能量。如果我們假設(shè)裂紋前沿處的能量耗散是集中在一個(gè)點(diǎn)上的，那么我們就可以用經(jīng)典斷裂力學(xué)來(lái)描述裂紋的動(dòng)力學(xué)行為。

經(jīng)典斷裂力學(xué)告訴我們，一個(gè)拉伸裂紋的最大速度是瑞利波速度CR。瑞利波是一種表面波，它是由體波在自由表面上的干涉產(chǎn)生的。瑞利波速度cR通常小于體波速度cs和cp，其中cs是剪切波速度，cp是擴(kuò)散波速度。當(dāng)一個(gè)拉伸裂紋以小于cR的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，它可以從遠(yuǎn)處傳來(lái)的彈性能量中獲取足夠的能量來(lái)繼續(xù)擴(kuò)展。

但是，當(dāng)一個(gè)拉伸裂紋接近c(diǎn)R時(shí)，它就會(huì)遇到一個(gè)能量屏障。因?yàn)楫?dāng)裂紋速度超過(guò)cR時(shí)，從遠(yuǎn)處傳來(lái)的彈性能量就不足以支持裂紋擴(kuò)展了，而且還會(huì)形成一個(gè)負(fù)能量流，抵消了裂紋前沿處的能量耗散。所以，經(jīng)典斷裂力學(xué)認(rèn)為，裂紋擴(kuò)展速度大于cR是不可能的。

但是，一篇發(fā)表在《科學(xué)》雜志的論文告訴我們，這個(gè)結(jié)論并不總是成立的。作者使用了一種脆性新胡克材料作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。這種材料具有非線性彈性特性，也就是說(shuō)，它的應(yīng)力和應(yīng)變之間不是簡(jiǎn)單地成正比關(guān)系。作者通過(guò)施加均勻拉伸應(yīng)變來(lái)制造沿著材料中心線運(yùn)動(dòng)的拉伸裂紋，并用高速相機(jī)記錄了裂紋的形態(tài)和速度。

作者發(fā)現(xiàn)，在某些情況下，拉伸裂紋可以平滑地加速到超過(guò)cR，并且繼續(xù)加速到超過(guò)cs。這種超剪切拉伸裂紋具有非常特殊的形態(tài)：它前沿處有一個(gè)尖銳的角，并且在其后方形成了一個(gè)類似于音爆錐形波前的激波。這種激波是由于裂紋速度超過(guò)了材料中的聲速，導(dǎo)致材料發(fā)生強(qiáng)烈的非線性變形。作者還發(fā)現(xiàn)，超剪切拉伸裂紋的速度可以接近c(diǎn)p，這是材料中最快的波速。這意味著，這種裂紋幾乎可以達(dá)到超聲速。摘自: www.ws46.com

那么，為什么這種裂紋可以打破經(jīng)典速度極限呢？作者提出了一個(gè)可能的解釋。他們認(rèn)為，當(dāng)材料受到足夠大的拉伸應(yīng)變時(shí)，它會(huì)發(fā)生一種非線性的應(yīng)力軟化效應(yīng)，也就是說(shuō)，它的應(yīng)力會(huì)隨著應(yīng)變的增加而減小。這種效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致裂紋前沿處的應(yīng)力分布發(fā)生變化，從而改變了裂紋的能量平衡條件。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)裂紋速度超過(guò)cR時(shí)，由于應(yīng)力軟化效應(yīng)，裂紋前沿處的能量耗散會(huì)減小，而且還會(huì)有一部分能量從激波中回流到裂紋前沿處。這樣，就可以形成一個(gè)正能量流，支持裂紋繼續(xù)加速。

這篇論文的意義是什么呢？首先，它展示了一種新的拉伸斷裂模式，它與經(jīng)典斷裂力學(xué)有本質(zhì)的不同。它表明，在一些脆性材料中，拉伸裂紋的動(dòng)力學(xué)行為不僅取決于材料的斷裂韌度，還取決于材料的非線性彈性特性和施加的應(yīng)變大小。其次，它為研究斷裂現(xiàn)象和其應(yīng)用提供了新的視角和方法。例如，在地震學(xué)中，地殼斷層也可以看作是一種拉伸裂紋，它可能會(huì)以超剪切速度運(yùn)動(dòng)，并產(chǎn)生強(qiáng)烈的地震波。因此，理解超剪切拉伸裂紋的機(jī)制和特征對(duì)于預(yù)測(cè)和防范地震災(zāi)害具有重要意義。