来自材料牛
【导读】
材料如何断裂？裂纹扩展的速度有多快？这是材料科学和工程学中的一个重要问题，因为它直接影响材料的强度、韧性和可靠性。在张力作用下，材料中的应力在接近裂纹尖端的体积中被放大，当势能超过材料的断裂能时，裂纹将向断裂传播。一般认为，移动裂纹的最大速度不能超过瑞利波速cR。在裂纹尖端附近，远程施加的应力被放大到近似奇点。裂纹运动受能量平衡原理指导：从大尺度（系统尺寸）流向裂纹尖端的存储势能通量与材料的断裂能相平衡时，就会发生断裂。在保持能量平衡的同时，裂纹速度（v）会平稳加速到cR。超过cR时，断裂力学预测进入裂纹尖端的能量通量将变为负值，从而使v>cR不符合实际情况。这一速度限制的例外情况可能发生在由剪切荷载驱动的裂纹中。具有有限尺寸耗散区的裂纹的分析解预示着正能量流入“超剪切”裂纹，其速度介于剪切波速度和扩张波速度之间。通常认为由拉伸载荷驱动的裂纹受cR的限制。该极限以及线性弹性断裂力学预测的相应运动方程已通过实验得到证实。将经典断裂扩展到超弹性材料预测拉伸裂纹可能会超过cR。然而，仍然缺乏明确的实验证据和对超剪切拉伸断裂的基本理解。
【成果掠影】
2023年7月27日，Jay Fineberg教授团队使用脆性水凝胶作为模型材料，通过实验证明了超过横波速度的“超剪切”拉伸裂纹的存在，这种断裂模式是在临界（取决于材料）应变下产生的。这种非经典的拉伸断裂模式代表了我们对断裂过程认识的根本转变。相关的研究成果以“Tensile cracks can shatter classical speed limits”为题发表在science上。
【核心创新点】
作者发现了超剪切裂纹的存在，超剪切裂纹平滑地加速到超过cR的速度，速度可能接近膨胀波速度，并发现超剪切动力学的行为与经典裂纹理论不同。
【成果启示】
综上所述，作者使用脆性新胡克材料，发现了超过横波速度cR的“超剪切”拉伸裂纹的存在，并证明了超剪切动力学的原理与经典裂纹的原理不同。这项研究不仅可以为开发能够承受更高应力和应变的新材料提供新思路，还可以为材料断裂和变形的基本机制提供新的见解，为预测和控制材料行为的新理论和模型的发展做出巨大贡献。
文献链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg7693
