2022-11-24 13:30:03

突破极限:令人惊讶的研究可能有助于防止工业零件的损坏

科学家利用粗粒动力学模拟了非晶材料在循环疲劳和恒应力作用下的断裂,展示了各种破坏模式,有助于提高材料的可靠性。图片来源:东京大学工业科学研究所

当工业零件损坏时,可能会非常昂贵,并导致延误。此外,它可能会使工厂对工人不安全。来自日本的科学家们现在模拟了在具有特定物理特性的材料中开始的断裂,这些材料被广泛应用于家庭、工业和科学领域。他们的工作显示了令人惊讶的结果,可能有助于防止工业零件的损坏。

如果你曾经在会议中感到无聊,试着玩一个金属回形针来打发时间,你可能会注意到一些令人惊讶的事情。虽然回形针开始变得灵活,并多次恢复到原来的形状,但经过足够多的循环之后,它可能会突然折断。这是一个“疲劳”的例子,当一个物体受到循环加载和卸载应力时,裂缝和缺陷就会积累起来。

在许多工业应用中,材料疲劳是一个重要的问题。对于经历多次应力循环的机器或飞机部件,这尤其重要,但它们的突然失效可能是灾难性的。因此,更好地理解材料疲劳的基本过程可能会有很大的好处,特别是对非晶体材料。

现在,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非晶态固体(如玻璃或塑料)低周疲劳断裂的物理机制。对于晶体材料,已有研究表明,由于疲劳,预先存在的缺陷和晶界会引发断裂。然而,在非晶材料中相应的机理还不清楚。虽然从直觉上看,与恒定应力相比,循环应力发生破裂所需的应力要小得多,但这并不是科学家的发现。

合著者Yuji Kurotani说:“与普遍的看法相反,我们证明了与不可逆变形起始相对应的无序材料的临界应变对于疲劳和单调断裂是相同的。”

这是因为,对于普通的非晶态体系,更高的密度导致更大的弹性和更慢的动力学。这种力学性质的密度依赖性将剪切变形与密度波动耦合起来。循环剪切可以放大密度波动,直到样品通过空化破裂,在空化中产生空洞。

“这种情况就像一列拥挤的火车,”合著者田中元(Hajime Tanaka)说。"与密度变化有关的动力和弹性不对称可导致剪切变形和密度波动之间的联系。"

根据作者或该研究,这些结果应该通过实验得到证实,这也将帮助材料科学家更好地理解断裂的起始。

参考文献:“基于密度的粗粒模型的非晶材料的疲劳断裂机制”,2022年10月11日,通信材料。DOI: 10.1038 / s43246 - 022 - 00293 - 9