當工業部件被損壞時，它可能非常昂貴並引發延誤問題。此外，它還可能使工廠對工人不安全。來自日本的科學家們現在已經模擬了在材料中啟動的斷裂，這些材料具有特定的物理特性，在工業和科學領域被廣泛使用。
如果你曾在會議中感到無聊並嘗試玩一個金屬回形針來打發時間，那麼你可能已經注意到一些令人驚訝的事情。儘管回形針開始時很靈活並多次恢復到原來的形狀，但在多次循環之後，它可能突然斷裂。這是一個“疲勞”的例子，即當一個物體受到周期性的加載和卸載的壓力時，裂縫和缺陷就會積累起來。
材料疲勞是許多工業應用中的一個重要問題。它對機器或飛機部件尤其重要，這些部件經歷了許多應力循環，但其突然失效可能是災難性的。因此，更好地了解材料疲勞的基本過程可能有很大的好處，特別是對於非晶體材料。
現在，來自東京大學工業科學研究所的一組科學家利用計算機模擬研究了玻璃或塑料等非晶體固體的低周期疲勞斷裂的物理機制。對於晶體材料，已經證明預先存在的缺陷和晶界可以因為疲勞而引發斷裂。然而非晶態材料中的相應機制還沒有被很好地理解。雖然看起來很直觀，跟恆定應力相比，循環應力發生斷裂所需的應力要小得多，但科學家們的發現並非如此。
“跟通常的看法相反，我們表明，無序材料中跟不可逆變形的開始相對應的臨界應變對於疲勞和單調斷裂是相同的，”論文共同作者Yuji Kurotani說道。
這是因為，對於普通的非晶態系統，更高的密度會導致更多的彈性和更慢的動態。機械性能的這種密度依賴性使剪切變形跟密度波動相聯繫。然後，循環剪切可以放大密度波動，直到樣品通過空化而破裂，其中產生了空隙。
“這種情況就像一輛擁擠的火車，”共同作者Hajime Tanaka說道，“跟密度變化有關的動態和彈性不對稱性可以引發剪切變形和密度波動之間的聯繫。”
根據作者或該研究，這些結果應該用實驗來證實，這也將幫助材料科學家更好地理解斷裂的啟動。