有助于防止工業(yè)零件損壞的新發(fā)現(xiàn)

工業(yè)零件損壞不但會增加成本，而且會為個工人帶來安全隱患。來自日本的科學(xué)家現(xiàn)在模擬了具有特定物理特性的材料中開始的斷裂，這些研究有助于防止工業(yè)零件的損壞。

回形針多次來回折疊，可能會突然折斷，這就是金屬部件的“疲勞”現(xiàn)象，當(dāng)一個物體受到循環(huán)加載和卸載應(yīng)力時，裂縫和缺陷就會積累。材料疲勞會造成經(jīng)歷多次應(yīng)力循環(huán)的部件突然失效，其后果可能是災(zāi)難性的。

現(xiàn)在東京大學(xué)工業(yè)科學(xué)研究所(Institute of Industrial Science，University of Tokyo)的一組科學(xué)家利用計算機(jī)模擬研究了非晶態(tài)固體(如玻璃或塑料)低周期疲勞斷裂的物理機(jī)制。晶體材料由于疲勞，其預(yù)先存在的缺陷和晶界會引發(fā)斷裂，而非晶體材料中的相應(yīng)機(jī)制還不清楚。

合著者Yuji Kurotani 說，他們證明了無序材料中跟不可逆變形的開始相對應(yīng)的臨界應(yīng)變對于疲勞和單調(diào)斷裂是相同的。這是因為，對于普通的非晶態(tài)系統(tǒng)，更高的密度會導(dǎo)致更多的彈性和更慢的動態(tài)。機(jī)械性能的這種密度依賴性，使剪切變形跟密度波動相聯(lián)系。然后，循環(huán)剪切可以放大密度波動，直到樣品通過空化而破裂，其中產(chǎn)生了空隙。

作者認(rèn)為，這些結(jié)果應(yīng)該用實驗來證實，這也將幫助材料科學(xué)家更好地理解斷裂的啟動。

圖1 科學(xué)家模擬了非晶材料在循環(huán)疲勞和恒定應(yīng)力作用下的斷裂，展示了各種破壞模式，有助于提高材料的可靠性