破壞:斷裂、疲勞與潛變

葛瑞非斯準則(Griffith criterion)

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大約在 1920 年,葛瑞非斯(A. A. Griffith)被一個弔詭困擾:細玻璃纖維可以非常強,玻璃棒卻一折就斷。他的答案,也就是今日的葛瑞非斯準則,是破壞力學的奠基思想:裂縫只有在擴展所釋放的儲存彈性能多於製造新表面所需的能量時才會成長。斷裂是一場能量的划算與否,一旦划算,裂縫立刻擴展。

拉伸一塊帶裂縫的板會在其中儲存彈性能。若裂縫稍微延伸,裂縫周圍的材料會鬆弛並釋放部分儲存的能量(釋放量隨裂縫長度與應力平方而增大)。但撐開新的裂縫面要花能量——你必須付出表面能 gamma_s 來打斷鍵結。葛瑞非斯令釋放等於花費,得到破裂應力:sigma_c = sqrt(2 E gamma_s / (pi a)),其中 E 是楊氏模數、gamma_s 是表面能、a 是裂縫半長。關鍵訊息是:強度隨 1/sqrt(a) 下降——缺陷越大,零件越弱,這正是長裂縫致命的原因。

葛瑞非斯公式對玻璃這類真正脆性的材料極為適用,因為那裡唯一的能量代價就是製造新表面。但在金屬中,裂縫尖端會降伏並拖著一個塑性區,它吸收的能量遠多於表面項——因此後來歐文(Irwin)與歐羅萬(Orowan)加上一個塑性功項,把 gamma_s 換成大上數百到數千倍的等效破裂功。正是這個推廣,使同一套能量思想成為現代應力強度因子與斷裂韌性的基礎。

以窗玻璃為例,E = 70 GPa、gamma_s 約 1 J/m^2,一道僅 0.01 公釐深的表面刮痕(a = 5e-6 公尺)給出 sigma_c = sqrt(2 times 70e9 times 1 / (pi times 5e-6)) = 約 94 MPa——只是玻璃理論強度(數千 MPa)的一小部分。一道你幾乎看不見的刮痕,就能讓強度大幅崩跌。

葛瑞非斯的能量平衡:當釋放的彈性能超過製造新表面的代價時,裂縫便擴展。

純葛瑞非斯(只計表面能)會嚴重低估金屬的強度,因為它忽略了裂縫尖端的塑性功——那通常才是主導的能量代價。它只對玻璃與某些陶瓷這類理想脆性固體才精確。

又称
Griffith energy balance葛瑞非斯能量平衡