环球速递！材料学的新发现或将有助于防止工业零件发生损坏

(资料图)

如果你曾在会议中感到无聊并尝试玩一个金属回形针来打发时间，那么你可能已经注意到一些令人惊讶的事情。尽管回形针开始时很灵活并多次恢复到原来的形状，但在多次循环之后，它可能突然断裂。这是一个“疲劳”的例子，即当一个物体受到周期性的加载和卸载的压力时，裂缝和缺陷就会积累起来。

材料疲劳是许多工业应用中的一个重要问题。它对机器或飞机部件尤其重要，这些部件经历了许多应力循环，但其突然失效可能是灾难性的。因此，更好地了解材料疲劳的基本过程可能有很大的好处，特别是对于非晶体材料。

现在，来自东京大学工业科学研究所的一组科学家利用计算机模拟研究了玻璃或塑料等非晶体固体的低周期疲劳断裂的物理机制。对于晶体材料，已经证明预先存在的缺陷和晶界可以因为疲劳而引发断裂。然而非晶态材料中的相应机制还没有被很好地理解。虽然看起来很直观，跟恒定应力相比，循环应力发生断裂所需的应力要小得多，但科学家们的发现并非如此。

“跟通常的看法相反，我们表明，无序材料中跟不可逆变形的开始相对应的临界应变对于疲劳和单调断裂是相同的，”论文共同作者Yuji Kurotani说道。

这是因为，对于普通的非晶态系统，更高的密度会导致更多的弹性和更慢的动态。机械性能的这种密度依赖性使剪切变形跟密度波动相联系。然后，循环剪切可以放大密度波动，直到样品通过空化而破裂，其中产生了空隙。

“这种情况就像一辆拥挤的火车，”共同作者Hajime Tanaka说道，“跟密度变化有关的动态和弹性不对称性可以引发剪切变形和密度波动之间的联系。”

根据作者或该研究，这些结果应该用实验来证实，这也将帮助材料科学家更好地理解断裂的启动。