力學行為與破裂

格里菲斯判據

/ GRIFF-ith /

1920 年,格里菲斯(A. A. Griffith)被一個奇怪的事實困擾:細玻璃纖維遠比同一種玻璃的粗棒還強,而且沒有一個達到其原子鍵所承諾的強度。他的洞見是不再去問裂縫尖端的應力是否高到足以扯斷一個鍵,而改做能量的收支帳。裂縫只有在成長划得來時才會成長:材料在裂縫張開時釋放的彈性能,至少必須足以支付裂縫所創造的新表面。若付不起,裂縫就靜止不動;一旦付得起,裂縫就奔跑。

想像一塊被應力 sigma 拉伸、其中有一條長 2c 裂縫的板。裂縫張開會鬆弛周圍的材料,釋放出隨著被拉開面積增長的儲存彈性能,大約隨 c 的平方增長。但裂縫每前進一點都造出兩個新表面,而創造表面的代價與裂縫長度成正比,隨 c 增長。因為釋放隨 c 平方增長、代價卻只隨 c 增長,就存在一個臨界裂縫長度,超過它釋放必勝。平衡兩者便得到格里菲斯的破裂應力方程:sigma_f = sqrt(2 times E times gamma_s / (pi times c)),其中 E 是楊氏模數、gamma_s 是表面能、c 是瑕疵的半長。強度隨瑕疵尺寸平方根的倒數下降,正好解釋了為什麼較細、瑕疵較少的纖維更強。

格里菲斯判據是所有陶瓷破裂力學的基礎。它說一塊陶瓷的量測強度由其最糟裂縫的尺寸控制,而非由其鍵結強度控制,並解釋了為什麼真實陶瓷在其理論強度約百分之一處就失效。後來歐文(Irwin)把同一個能量平衡改寫成應力強度形式 K = Y times sigma times sqrt(pi times c),達到臨界值 K_IC。一個誠實的提醒:格里菲斯原始的平衡只算了熱力學表面能,這對完全脆性的玻璃是對的,但對堅韌的多晶陶瓷卻遠遠太小,因為那裡有額外的能量被晶粒橋接、微裂紋等過程吃掉,所以實務上使用量測的破裂能或韌性,而非 2 gamma_s。

取一塊 E = 70 GPa、表面能約 3.5 J/m2 的鈉鈣玻璃。格里菲斯預測一根原始無瑕的纖維可達數 GPa,接近鍵結極限;但一根帶著 100 微米表面刮痕的棒,卻掉到只有約 50 MPa。同樣的玻璃,強度差一百倍,全由最糟的裂縫決定。

強度隨瑕疵尺寸平方根的倒數下降,所以是最糟的裂縫、而非鍵結,決定陶瓷的強度。

格里菲斯原始判據只用熱力學表面能,這對玻璃有效,卻嚴重低估堅韌多晶陶瓷的抗力。對那些材料,永遠要用量測的破裂韌性(K_IC),它把裂縫尖端附近額外耗散的能量都包了進去。

又称
Griffith theoryGriffith energy balance格里菲斯理論格里菲斯能量平衡