解析裂纹尖端应力状态以阐明弹性体断裂本质

基于偏振光学显微镜对裂纹尖端应力场的时空分辨测量，弹性体断裂的应力分析方法揭示了新的见解。我们展示了与线性弹性断裂力学（LEFM）标准描述截然不同的新现象。首先，str-POM 测量显示出现了一个应力饱和区，其尺寸 $r_{ss}$ 与应力强度因子 $K$ 无关。该弹性区不同于尺寸会随 $K$ 呈二次方标度的塑性区。应力发散的缺失使我们能够测量断裂 onset 时的尖端应力 $s_{tip}$，这被认定为材料的固有强度，即 $s_{tip}(F) = s_F(inh)$。我们能够解释为什么 LEFM 适用于弹性体，即为什么断裂韧性（以临界能量释放率 $Gc$ 或临界应力强度因子 $Kc$ 表示）是一个材料常数，并且我们确定了决定韧性大小的参数。其次，基于 str-POM 观察，流行的 Rivlin-Thomas 纯剪切弹性体断裂能量平衡描述获得了全新且不同的解释，这些观察表明切口尖端的应力积累明确地随试样高度 $h0$ 标度，从而使得 $Gc = wch0$ 保持常数。第三，str-POM 观察揭示了弹性体断裂如何在与试样厚度无关的通用 $Kc$ 下发生。在给定载荷下，由于切口尖端处更大的应力饱和，较厚的试样具有较弱的应力积累，并且观察到较厚试样在较低的尖端应力下发生断裂。