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，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理。在眾多谷粒裂紋機制研究中，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，當拉應(yīng)力超過中心部位的抗拉強度，籽粒將產(chǎn)生裂紋。20世紀80年代起，國內(nèi)就開始針對干燥過程稻米裂紋影響進行研究，進入20世紀90年代，水稻干燥傳熱傳質(zhì)過程的理論研究進一步深入[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展的力學(xué)機制尚不清晰，缺少考慮物料初始缺陷的吸濕裂紋的理論模型。為進一步闡明吸濕裂紋機理，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)變化機理。

1 糙米吸濕裂紋的斷裂力學(xué)機制

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)可以給出更加準確的定量預(yù)測，如Griffith解釋了材料的實際斷裂強度遠低于其理論強度的原因。不同于傳統(tǒng)力學(xué)或經(jīng)典的強度理論單純用應(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展判據(jù)。并提出一個材料固有性能的指標——斷裂韌性（應(yīng)力強度因子臨界值）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)力強度因子KI大于斷裂韌性KIC，則裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴展。目前，在斷裂力學(xué)中常用的裂紋擴展判據(jù)為應(yīng)力強度因子準則，通過比較受載下的應(yīng)力強度因子與材料應(yīng)力強度因子臨界值可以獲得斷裂準則：

式中：σC為臨界等效遠場載荷；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)定擴展與失穩(wěn)擴展

楊國峰[16]指出稻谷裂紋生成與擴展機制隨吸濕時間變化可分為3個階段：第1階段，應(yīng)力驅(qū)動機制占主導(dǎo)地位；第2階段，隨著吸濕的持續(xù)進行，吸濕時間的不斷推移，拉應(yīng)力驅(qū)動的影響將達到某一極值；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)生與擴展機制的趨勢。這亦符合材料裂紋擴展的斷裂力學(xué)機制。圖1表明，裂紋的形成由裂紋萌生及裂紋擴展2個步驟組成，裂紋擴展又分為穩(wěn)定擴展與失穩(wěn)擴展。裂紋萌生與穩(wěn)定擴展即為微裂紋驅(qū)動機制，裂紋失穩(wěn)擴展即為拉應(yīng)力驅(qū)動機制。

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)，當拉應(yīng)力超過材料的抗拉強度，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)力強度因子KI差異較大，當KI＞KIC，則部分微裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴展，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)機制引入糙米吸濕裂紋機理分析中，假設(shè)稻米籽粒裂紋的生成與擴展源于谷粒初始微觀缺陷與初始微裂紋，建議采用應(yīng)力強度因子作為裂紋擴展準則。將宏觀裂紋的形成分為2種典型形式：裂紋穩(wěn)態(tài)擴展形式，裂紋失穩(wěn)擴展形式。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。