力學行為與破裂

韋伯統計

/ VY-bull /

一條鏈子的強度只等於它最弱的那一環。拉它,它不會在平均的環處斷,而在唯一最糟的那一環斷,所以環越多的鏈子越可能藏著壞環、越早斷。脆性陶瓷的行為一模一樣:它在最糟的瑕疵處失效,而由於瑕疵族群在零件之間各不相同,強度就散布。韋伯統計(Weibull statistics)就是把這個最弱鏈圖像轉成預測的數學,它描述的不是單一強度,而是你在許多名義上相同的零件間會量到的整個強度散布。

瑞典工程師韋伯(Waloddi Weibull)在 1939 年以一條存活律捕捉了它。零件承受應力 sigma 而存活的機率是 P_s = exp(-(V/V_0) times (sigma/sigma_0)^m),於是失效機率為 P_f = 1 - P_s。這裡 sigma_0 是特徵強度(約 63 百分比已失效時的應力)、V 是受力體積、m 是韋伯模數,用來衡量散布。這個形式直接來自最弱鏈的想法:整個零件只有在它每一個小體積元都存活時才存活,把所有這些獨立存活機率相乘,就得到那條指數律。實務上你折斷二十或三十個試片、排序,再把雙對數 ln(ln(1/(1-P_f))) 對 ln(sigma) 作圖;資料落在一條直線上,其斜率就是 m。

韋伯統計讓工程師能用一種沒有單一強度的材料安全地設計。你不用固定值,而是選一個能把失效機率壓到某個目標(例如百萬分之一)以下的設計應力,同一條律也預測強度如何隨尺寸縮放。兩個誠實的提醒讓它不至於變成魔法。它是一個經驗性的最弱鏈擬合,不是自然律,而且它假設只有一個獨立的瑕疵族群;真實陶瓷常有兩個族群,比方說表面刮痕與內部氣孔,這會產生一條轉折的雙峰韋伯圖,單一直線會誤描它。而一個可信的模數需要許多試片;只用寥寥幾個估 m 會給出寬而不可靠的答案。

三十根氧化鋁試棒被折斷並依強度排序。它們的雙對數韋伯圖落在一條直線上,給出約 10 的韋伯模數與 350 MPa 的特徵強度。工程師由此讀出:要達到百萬分之一的失效機率,零件必須維持在約 120 MPa 以下,遠低於平均值。

一條筆直的雙對數圖給出模數(斜率)與特徵強度,把散布轉成一條設計準則。

韋伯是一個經驗性的最弱鏈描述,不是物理律,而且它假設單一瑕疵族群。真實陶瓷常有兩個(表面與內部),產生一條彎折的雙峰圖;硬用一條直線穿過它會掩蓋真相。它也需要許多試片才能可靠地估計。

又稱
weakest-link statisticsWeibull distribution最弱鏈統計韋伯分布