糙米吸濕裂紋的斷裂力學(xué)機(jī)制

白士剛，趙宏偉，賈富國

東北農(nóng)業(yè)大學(xué)（哈爾濱 150030）

稻谷安全儲藏含水率在14%以下，而最適宜碾米含水率為15.5%～16%[1]。因此，碾前的含水率調(diào)節(jié)是必然工藝。目前，也存在其他針對不同目的的稻米含水率提升工藝，如為了軟化糙米皮層的加濕調(diào)質(zhì)工藝[1]、為了提升營養(yǎng)價值的發(fā)芽糙米工藝[2]、強(qiáng)化米粒硬度的蒸谷米技術(shù)[3-4]，以及為了保證食味品質(zhì)的低水分貯藏后水分恢復(fù)工藝，均涉及人為控制下的米粒吸濕過程。并且，水稻在食用之前，在田間生長后期、收獲、運(yùn)輸、干燥及貯藏等環(huán)節(jié)，也會面臨各種吸濕環(huán)境，而產(chǎn)生自然吸濕。因此，稻谷及其籽粒吸濕現(xiàn)象廣泛存在。

人工增濕工藝不當(dāng)，糙米極易產(chǎn)生吸濕裂紋。碾前糙米含水率提升工藝、糙米皮層軟化工藝等有利于降低碾白室壓力、減少碎米發(fā)生[1]。但是，如果增濕工藝參數(shù)不合理，又將引起吸濕裂紋。糙米儲藏是世界稻谷儲藏的發(fā)展趨勢。日本等發(fā)達(dá)國家已改稻谷儲藏為糙米儲藏，并得到廣泛應(yīng)用[5]。因此，為提高糙米儲藏安全性，需深入研究儲藏環(huán)境下糙米吸濕特性及吸濕裂紋產(chǎn)生的臨界條件。

為保障糙米安全儲藏及人工增濕工藝的安全有效，需深入研究糙米吸濕裂紋形成機(jī)理。在眾多谷粒裂紋機(jī)制研究中，以Kunze的濕應(yīng)力模式占主導(dǎo)地位[6-7]，按該模式，吸濕將使籽粒表層產(chǎn)生壓應(yīng)力，中心部位則受到反作用的拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過中心部位的抗拉強(qiáng)度，籽粒將產(chǎn)生裂紋。20世紀(jì)80年代起，國內(nèi)就開始針對干燥過程稻米裂紋影響進(jìn)行研究，進(jìn)入20世紀(jì)90年代，水稻干燥傳熱傳質(zhì)過程的理論研究進(jìn)一步深入[8-10]。然而，在稻米籽粒應(yīng)力裂紋方面的研究，大都局限于干燥過程，所利用的力學(xué)模型也大多簡化為彈性模型[9]。

2000年前后，吸濕性裂紋研究逐漸受到研究人員重視，展開吸濕環(huán)境因素對應(yīng)力裂紋影響的研究，有限元方法被用于模擬分析下水稻顆粒內(nèi)部水分分布和應(yīng)力應(yīng)變分布，研究結(jié)果指出吸濕過程中比在干燥過程中更易出現(xiàn)應(yīng)力裂紋。但是糙米吸濕過程籽粒裂紋萌生與擴(kuò)展的力學(xué)機(jī)制尚不清晰，缺少考慮物料初始缺陷的吸濕裂紋的理論模型。為進(jìn)一步闡明吸濕裂紋機(jī)理，提出將斷裂力學(xué)理論引入糙米吸濕裂紋分析，將籽粒初始微觀缺陷與初始微裂紋作為環(huán)境吸濕條件，解釋裂紋率動態(tài)變化機(jī)理。

1 糙米吸濕裂紋的斷裂力學(xué)機(jī)制

1.1 基于斷裂力學(xué)的糙米吸濕裂紋形成假設(shè)

近年來，米粒的斷層掃描和米粒斷裂面的顯微形態(tài)等研究內(nèi)容[11-13]，常被用于分析碾米碎米產(chǎn)生的內(nèi)因。學(xué)者認(rèn)識到谷粒在收獲、干燥和儲藏過程中存在不同程度的損傷，使米粒內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)存在的缺陷、空穴等引發(fā)初始裂紋，初始裂紋在外載荷與溫濕度應(yīng)力作用下會擴(kuò)展形成穿透性裂紋。稻谷吸濕產(chǎn)生裂紋的敏感性與籽粒中存在的微裂紋面積存在相關(guān)性[14]。這些研究結(jié)果表明，目前谷粒裂紋與破碎的研究已開始進(jìn)入斷裂力學(xué)的研究領(lǐng)域。因此，提出理論假設(shè)：籽粒裂紋的生成與擴(kuò)展源于谷粒初始微觀缺陷與初始微裂紋。

1.2 糙米吸濕裂紋形成與擴(kuò)展的斷裂力學(xué)參數(shù)

對于裂紋體，斷裂力學(xué)可以給出更加準(zhǔn)確的定量預(yù)測，如Griffith解釋了材料的實際斷裂強(qiáng)度遠(yuǎn)低于其理論強(qiáng)度的原因。不同于傳統(tǒng)力學(xué)或經(jīng)典的強(qiáng)度理論單純用應(yīng)力大小來描述裂紋尖端的應(yīng)力場，斷裂力學(xué)的研究對象為帶裂紋體，同時考慮應(yīng)力與裂紋形狀及尺寸的綜合影響，給出含裂紋體的裂紋擴(kuò)展判據(jù)。并提出一個材料固有性能的指標(biāo)——斷裂韌性（應(yīng)力強(qiáng)度因子臨界值）KIC，用它來比較各種材料的抗裂能力。Ⅰ代表張開型裂紋，或稱Ⅰ型裂紋，角標(biāo)C代表臨界值。在二維情況下，裂紋尖端附近一點A（r，θ），r<

式（1）表明，裂紋區(qū)某點應(yīng)力場完全由KI決定，稱為應(yīng)力強(qiáng)度因子，KI=Yσ πa ；Y為形狀因子，由樣品與裂紋尺寸決定，吸濕過程中σ為在濕應(yīng)力場等效遠(yuǎn)場載荷；a為濕應(yīng)力下裂紋長度，由于糙米樣品形狀不規(guī)則，以及濕應(yīng)力分布復(fù)雜性，KI需通過數(shù)值方法計算得到，即通過同時求解濕度場與應(yīng)力場。若應(yīng)力強(qiáng)度因子KI大于斷裂韌性KIC，則裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展。目前，在斷裂力學(xué)中常用的裂紋擴(kuò)展判據(jù)為應(yīng)力強(qiáng)度因子準(zhǔn)則，通過比較受載下的應(yīng)力強(qiáng)度因子與材料應(yīng)力強(qiáng)度因子臨界值可以獲得斷裂準(zhǔn)則：

式中：σC為臨界等效遠(yuǎn)場載荷；aC為臨界裂紋長度；對于糙米顆粒吸濕過程，σC、aC不易確定，亦需試驗結(jié)合數(shù)值方法獲得。

1.3 糙米吸濕裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展與失穩(wěn)擴(kuò)展

楊國峰[16]指出稻谷裂紋生成與擴(kuò)展機(jī)制隨吸濕時間變化可分為3個階段：第1階段，應(yīng)力驅(qū)動機(jī)制占主導(dǎo)地位；第2階段，隨著吸濕的持續(xù)進(jìn)行，吸濕時間的不斷推移，拉應(yīng)力驅(qū)動的影響將達(dá)到某一極值；第3階段，拉應(yīng)力驅(qū)動開始衰減，而微裂紋驅(qū)動的影響開始顯著增加，并有成為主導(dǎo)裂紋產(chǎn)生與擴(kuò)展機(jī)制的趨勢。這亦符合材料裂紋擴(kuò)展的斷裂力學(xué)機(jī)制。圖1表明，裂紋的形成由裂紋萌生及裂紋擴(kuò)展2個步驟組成，裂紋擴(kuò)展又分為穩(wěn)定擴(kuò)展與失穩(wěn)擴(kuò)展。裂紋萌生與穩(wěn)定擴(kuò)展即為微裂紋驅(qū)動機(jī)制，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展即為拉應(yīng)力驅(qū)動機(jī)制。

圖1 裂紋形成的兩種形式

2 Kunze濕應(yīng)力理論適用性

目前，Kunze濕應(yīng)力模式[6]是解釋谷物吸濕性應(yīng)力裂紋的重要理論。濕應(yīng)力模式基于材料的連續(xù)性假設(shè)，當(dāng)拉應(yīng)力超過材料的抗拉強(qiáng)度，材料則發(fā)生開裂。但是，由于實際材料均存在內(nèi)部缺陷，稻米籽粒裂紋的生成與擴(kuò)展也必然源于谷粒中原有的各種微觀缺陷與初始裂紋，并在外界載荷、環(huán)境溫濕度的作用下擴(kuò)展生成宏觀裂紋，直至發(fā)生穿透性裂紋。同時，隨著水分滲透，伴隨著谷粒強(qiáng)度、韌性、剛度等力學(xué)性能不斷演化的過程。斷裂力學(xué)指出含有初始裂紋的試樣將在較低應(yīng)力下會發(fā)生脆性斷裂。因此，糙米吸濕裂紋形態(tài)差異與裂紋率分散性，是濕應(yīng)力場與籽粒內(nèi)初始裂紋部位、尺寸的差異共同作用的結(jié)果。若吸濕發(fā)生前或吸濕過程中籽粒內(nèi)部已存在或產(chǎn)生裂紋，則基于連續(xù)性假設(shè)（經(jīng)典強(qiáng)度理論）、各向同性假設(shè)的Kunze濕應(yīng)力方法將無法定量預(yù)測裂紋擴(kuò)展而產(chǎn)生的橫向穿透性裂紋（爆腰）率的分散性。

3 基于斷裂力學(xué)的糙米吸濕裂紋率分散性解釋

在相同的吸濕條件下，糙米吸濕裂紋的形成主要形式有：（1）未發(fā)生宏觀裂紋；（2）存在單條橫斷裂紋，存在于糙米顆粒橢球赤道平面，沿短軸方向平面；（3）存在雙裂紋，靠近糙米顆粒橢球兩極，沿短軸方向平面；（4）存在3條，位于糙米顆粒橢球赤道平面，以及靠近糙米顆粒橢球兩極，沿短軸方向平面；（5）存在多條裂紋。應(yīng)用斷裂力學(xué)機(jī)制，這5類情況，可以解釋為由于不同糙米顆粒內(nèi)部存在不同的初始微觀缺陷（微裂紋），在相同的吸濕條件下，雖然濕應(yīng)力場接近，但是裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子KI差異較大，當(dāng)KI＞KIC，則部分微裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展，形成宏觀裂紋。

4 結(jié)語

在Kunze濕應(yīng)力理論基礎(chǔ)上，將斷裂力學(xué)機(jī)制引入糙米吸濕裂紋機(jī)理分析中，假設(shè)稻米籽粒裂紋的生成與擴(kuò)展源于谷粒初始微觀缺陷與初始微裂紋，建議采用應(yīng)力強(qiáng)度因子作為裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則。將宏觀裂紋的形成分為2種典型形式：裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展形式，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展形式。糙米吸濕裂紋形態(tài)差異與裂紋率分散性，是濕應(yīng)力場與籽粒內(nèi)初始裂紋部位、尺寸差異共同作用的結(jié)果。