拉伸裂纹可以打破经典的速度限制

当一个材料受到拉伸应力时，它可能会产生裂纹，导致材料破裂。裂纹的运动是由能量平衡原理决定的，这个原理说，当裂纹前沿处的应力强度因子达到材料的断裂韧度时，裂纹就会扩展。断裂韧度是指单位面积上产生新的裂纹所需的能量。如果我们假设裂纹前沿处的能量耗散是集中在一个点上的，那么我们就可以用经典断裂力学来描述裂纹的动力学行为。

经典断裂力学告诉我们，一个拉伸裂纹的最大速度是瑞利波速度CR。瑞利波是一种表面波，它是由体波在自由表面上的干涉产生的。瑞利波速度cR通常小于体波速度cs和cp，其中cs是剪切波速度，cp是扩散波速度。当一个拉伸裂纹以小于cR的速度运动时，它可以从远处传来的弹性能量中获取足够的能量来继续扩展。

但是，当一个拉伸裂纹接近cR时，它就会遇到一个能量屏障。因为当裂纹速度超过cR时，从远处传来的弹性能量就不足以支持裂纹扩展了，而且还会形成一个负能量流，抵消了裂纹前沿处的能量耗散。所以，经典断裂力学认为，裂纹扩展速度大于cR是不可能的。

但是，一篇发表在《科学》杂志的论文告诉我们，这个结论并不总是成立的。作者使用了一种脆性新胡克材料作为实验对象。这种材料具有非线性弹性特性，也就是说，它的应力和应变之间不是简单地成正比关系。作者通过施加均匀拉伸应变来制造沿着材料中心线运动的拉伸裂纹，并用高速相机记录了裂纹的形态和速度。

作者发现，在某些情况下，拉伸裂纹可以平滑地加速到超过cR，并且继续加速到超过cs。这种超剪切拉伸裂纹具有非常特殊的形态：它前沿处有一个尖锐的角，并且在其后方形成了一个类似于音爆锥形波前的激波。这种激波是由于裂纹速度超过了材料中的声速，导致材料发生强烈的非线性变形。作者还发现，超剪切拉伸裂纹的速度可以接近cp，这是材料中最快的波速。这意味着，这种裂纹几乎可以达到超声速。

那么，为什么这种裂纹可以打破经典速度极限呢？作者提出了一个可能的解释。他们认为，当材料受到足够大的拉伸应变时，它会发生一种非线性的应力软化效应，也就是说，它的应力会随着应变的增加而减小。这种效应会导致裂纹前沿处的应力分布发生变化，从而改变了裂纹的能量平衡条件。具体来说，当裂纹速度超过cR时，由于应力软化效应，裂纹前沿处的能量耗散会减小，而且还会有一部分能量从激波中回流到裂纹前沿处。这样，就可以形成一个正能量流，支持裂纹继续加速。
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这篇论文的意义是什么呢？首先，它展示了一种新的拉伸断裂模式，它与经典断裂力学有本质的不同。它表明，在一些脆性材料中，拉伸裂纹的动力学行为不仅取决于材料的断裂韧度，还取决于材料的非线性弹性特性和施加的应变大小。其次，它为研究断裂现象和其应用提供了新的视角和方法。例如，在地震学中，地壳断层也可以看作是一种拉伸裂纹，它可能会以超剪切速度运动，并产生强烈的地震波。因此，理解超剪切拉伸裂纹的机制和特征对于预测和防范地震灾害具有重要意义。