破壞:斷裂、疲勞與潛變

應力強度因子(stress intensity factor)

如果把裂縫想成一把壓進材料的刀,那麼應力強度因子 K 衡量的就是這把刀被推得多用力——也就是裂縫尖端處的條件有多嚴苛。它把兩件同樣會促使裂縫擴展的事——施加的應力與裂縫的長度——合併成單一個驅動力數字。

對於一個受應力 sigma、長度為 a 的裂縫,K = Y times sigma times sqrt(pi a)。sigma 是遠處的應力,a 是裂縫長度(內部裂縫取半長),Y 是接近 1 的無因次幾何因子(考慮邊緣裂縫、表面裂縫、有限寬度等)。注意那個平方根:應力加倍,K 就加倍;但裂縫長度要變成四倍,K 才會加倍。單位看起來很怪——MPa times sqrt(公尺),寫作 MPa-m^0.5——其實只是把一個應力與一個長度結合起來。舉一個算例:sigma = 100 MPa、a = 2 公釐 = 0.002 公尺、Y = 1,得 K = 100 times sqrt(3.14 times 0.002) = 約 7.9 MPa-m^0.5。

K 之所以強大,是因為它用一個數值就抓住了整個裂縫尖端的狀況,所以兩個 K 相同的不同零件,其裂縫尖端的嚴苛程度也相同。於是破壞條件變得極簡單:當 K 達到材料的臨界值——斷裂韌性 K_IC 時,裂縫就會擴展。切勿把 K(加載條件,可用更大的拉力或更長的裂縫來提高)與 K_IC(固定的材料性質)搞混。K 也是疲勞裂縫成長的驅動量,其循環變化量 delta-K 決定裂縫每一循環前進多快。

兩塊帶裂縫的板——一塊小板帶長裂縫,一塊大板帶短裂縫——可以有相同的 K。若兩者的 K 都等於某鋼的 K_IC = 50 MPa-m^0.5,儘管外觀完全不同,兩者也會在同一刻破壞。這正是重點:K 是描述裂縫嚴苛程度的共通貨幣。

一個數字 K = Y sigma sqrt(pi a),把應力與裂縫尺寸合成裂縫尖端的驅動力。

K 描述的是加載;K_IC(斷裂韌性)是材料的抵抗力。符號同源、角色相反——把兩者混淆是初學者的經典錯誤。此外 K 只在裂縫尖端塑性區維持很小(線彈性條件)時才適用。

又称
KK factor