Notch fracture toughness of glasses: Rate, age and geometry dependence
了解玻璃的断裂韧性（电阻）是一个基本的问题，主要的理论和实践的重要性。在这里，我们从理论上研究了它的加载速率，年龄（历史）的玻璃和缺口半径$ρ$的依赖性。降维分析表明，缺口断裂韧性的结果之间的竞争的初始，年龄和历史相关的，塑性松弛时标$τ^{pl}_0$和有效的加载时标$τ^{ext}(\dot{K}_I,ρ)$，其中$\dot{K}_I$是拉伸应力强度因子率。预测韧性与$\sqrtρ$成比例，与$ξ\!\ll\! 1$的$ξ\!\equiv\!τ^{ext}\!/τ^{pl}_0$无关，与$ξ\!\gg\!1$的$T\sqrtρ\,\log(ξ)$成比例（与热活化相关，其中$T$是温度），并在交叉区域$ξ\!\sim\!{\cal O}(1)$具有非单调行为（与塑性屈服动力学相关）。这些预测验证使用新的二维计算，提供了一个统一的图片的缺口断裂韧性的玻璃。该理论强调了时间尺度竞争的重要性，远离稳态弹粘塑性动力学的韧性的理解，并表明，后者的变化相当显着的玻璃年龄（历史）和施加的加载速率。为大块非晶合金提供了实验支持。
2016-04-09 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Less is more: removing a single bond increases the toughness of elastic networks
本文通过模拟三角形弹簧网络发现，移除单根键虽可能降低裂纹起始断裂能，但总能提高整体失效断裂能，且裂纹偏转与桥接可进一步增强韧性，为缺陷增韧和结构材料设计提供新见解。
2025-07-18 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Crosslinks increase the elastic modulus and fracture toughness of gelatin hydrogels
水凝胶具有经受大变形的能力，但像脆性材料一样失效。具有高强度和韧性的生物相容性水凝胶的开发在许多应用中是一个持续的挑战。我们使用戊二醛（对照）和甲基乙二醛（MGO）交联牛明胶，并评估其断裂韧性的变化。溶胀实验显示，MGO水凝胶中的水保留率为~710%，而对照样品中的水保留率为~450%。我们使用FTIR来鉴定可能参与明胶凝胶交联的化学基团的存在。冻干的MGO水凝胶的扫描电子显微照片显示与对照样品相比具有板状完整壁的大孔，其有助于保持水。单调压缩试验证明了两个水凝胶组的非线性应力-应变行为。与模量为4.77 ± 0.73kPa（n=4）的对照水凝胶相比，MGO样品具有高96%的模量。一阶奥格登模型拟合的应力-应变数据，以及相比，Mooney-Rivlin和新Hookean模型。我们使用空化流变学来量化水凝胶中气泡破裂的最大压力，使用内径分别为75、150、230和320 μm的钝针。气泡内的压力随时间线性增加，并在临界值后急剧下降。与对照样品中的大球形气泡相比，MGO凝胶中的气泡小且呈硬币形状。我们使用临界压力来量化水凝胶的断裂能。MGO处理使对照凝胶的断裂能从13.09 J/m2增加了187%。最后，我们讨论了在使用奥格登和穆尼Rivlin模型来计算明胶水凝胶的失效能的挑战。
2022-03-16 cond-mat.soft physics.bio-ph
How glass breaks -- Damage explains the difference between surface and fracture energies in amorphous silica
CNRS, INSA Lyon（法国国家科学研究中心里昂国立应用科学学院）；Soft Matter Sciences and Engineering, CNRS, ESPCI Paris, PSL University, Sorbonne Université（软物质科学与工程，法国国家科学研究中心巴黎高等物理化工学院大学校、巴黎文理研究大学、索邦大学）
通过多尺度模拟揭示非晶硅中表面能与断裂能差异的机制，结合分子动力学与相场方法量化能量贡献，阐明脆性断裂机制。
2026-02-01 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Cutting Soft Matter: Scaling relations controlled by toughness, friction, and wear
本文结合有限元分析与聚丙烯酰胺凝胶线切割实验，揭示切割力随金属丝半径变化的标度律，并由截距和斜率分别估算解理韧性与断裂过程区耗散。
2024-12-02 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Resolving stress state at crack tip to elucidate nature of elastomeric fracture
基于偏振光显微镜（str-POM）的裂纹尖端应力场的时空分辨测量，弹性体断裂的应力分析方法揭示了新的见解。我们展示了新的现象学与线弹性断裂力学（LEFM）的标准描述相反。首先，str-POM测量表明出现了应力饱和区，其尺寸r_ss与应力强度因子K无关。这个弹性区是塑性区，其大小与K成二次方关系。应力发散的不存在允许我们在断裂开始时测量尖端应力s_tip，其被识别为固有材料强度，即，s_tip（F）= s_F（inh）。我们能够解释为什么LEFM适用于弹性体，即，为什么韧性（以临界能量释放率Gc或临界应力强度因子Kc表示）是一个材料常数，我们已经确定了决定韧性大小的参数。其次，流行的Rivlin-Thomas能量平衡描述的弹性体断裂在纯剪切已经获得了一个新的和不同的解释的基础上str-POM的观察，这表明，在切割尖端的应力积累明确标度与试样高度h 0，导致Gc = wch 0是恒定的。第三，str-POM观测揭示了弹性体断裂如何发生在一个共同的Kc独立的试样厚度。在给定的载荷下，由于切割尖端处的应力饱和度较大，较厚试样的应力积累较弱，并且观察到较厚试样在较低的尖端应力下发生断裂。
2022-11-30 cond-mat.soft
Poroelastic toughening in polymer gels: A theoretical and numerical study
我们探讨的模式I断裂韧性的聚合物凝胶包含一个半无限的，不断增长的裂纹。首先，一个表达式推导出的能量释放率内的线性化，小应变设置。这个表达式揭示了一个裂纹尖端速度无关的增韧，源于聚合物凝胶的多孔弹性性质。然后，我们建立了一个多孔弹性内聚区模型，使我们能够描述在凝胶断裂的微观力学确定的作用，溶剂压力在促进多孔弹性增韧。我们通过渐近分析评估了有效断裂韧性的提高。我们证实了我们的理论研究结果，通过数值模拟的情况下，一个稳定的扩展裂纹。从广义上讲，我们的研究结果解释了多孔弹性的作用和在促进增韧聚合物凝胶的断裂区域中发生的过程。
2016-05-06 cond-mat.soft
An Extreme Toughening Mechanism for Soft Materials
柔软而坚韧的材料在自然界和日常生活中无处不在。软材料的断裂韧性与固有断裂能之间的比率定义其韧性增强。长期以来，软材料的增韧作用主要是由于Mullins效应和粘弹性等耗散机制引起的体应力-拉伸滞后效应。结合实验和理论，我们发现，体耗散机制显着低估了韧性增强的软韧性材料。我们提出了一种新的机制和标度律来解释各种软材料的极端增韧。我们表明，软材料的韧性增强依赖于体积阻尼耗散，和近裂纹耗散由于聚合物链缠结等机制。与块体滞后耗散不同，近裂纹耗散并不一定会导致块体材料产生大的应力-拉伸滞后。这种极端的增韧机制可以普遍应用于各种软韧材料，从双网络水凝胶、互穿网络水凝胶、缠结网络水凝胶和滑环水凝胶，到未填充和填充橡胶。
2022-02-13 cond-mat.soft physics.app-ph
Toughness of double network hydrogels: the role of reduced stress propagation
该研究通过介观模型揭示双网络水凝胶高韧性的机制：网络间载荷分担减弱Eshelby应力传播，抑制牺牲键断裂级联，从而将脆性开裂转为弥散微裂纹的延性变形。
2025-10-08 cond-mat.soft
Compression and fracture of ordered and disordered droplet rafts
本文模拟两壁压缩下二维黏附液滴筏，揭示有序、含缺陷及非晶阵列中耗尽键断裂、力峰下降与竞争成核机制。
2023-12-12 cond-mat.soft
Cracks and Crazes: On calculating the macroscopic fracture energy of glassy polymers from molecular simulations
我们结合分子动力学模拟的变形在亚微米尺度的连续断裂力学计算裂纹扩展的发病预测的宏观断裂韧性的无定形玻璃态聚合物。在这种多尺度方法中的关键成分是聚合物银纹的弹性性质和银纹原纤维通过链拔出或断裂而失效的应力。我们的研究结果是在定量协议与无量纲比，描述实验聚合物和它们的变化与温度，聚合物长度和聚合物的刚性。
2002-09-16 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Effect of Random Fiber Network and Fracture Toughness on the Onset of Cavitation in Soft Materials
实验和理论观察已经同意，在软材料中的空化的开始需要比纯水更高的拉伸压力。由于空化气泡需要克服软材料中的弹性能，因此需要额外的拉伸压力。在这篇手稿中，我们已经开发了两个模型来研究和量化额外的拉伸压力。在第一种方法中，我们提出了一个基于应变能的随机纤维网络（RFN）的破坏准则，其中考虑了空泡和RFN之间的相互作用。制备不同浓度的明胶样品，并使用SEM图像来研究RFN的微观结构特性。一个单胞模型被引入到评估的几何和力学性能的RFN。然后将网络应变能公式与气泡生长相耦合，并将临界条件设定为纤维的极限破坏应变。第二种方法将软材料视为均匀超弹性Ogden材料，提出了基于弹性模量的破坏准则。临界能量释放率被认为是量化额外的拉伸压力。这两个模型，然后与现有的橡胶类材料的空化起始标准进行比较。用不同明胶浓度的阈值拉伸压力实验结果进行了验证。我们已经发现，由于在网络中的孔径分布大，成核压力类似于水。这两个模型可以适度预测明胶浓度的中间范围内的额外的拉伸压力。对于低浓度，网络的非亲和性起着重要的作用，必须纳入。另一方面，对于较高的浓度，熵变形占主导地位，应变能公式是不够的。
2020-12-24 cond-mat.soft physics.app-ph physics.bio-ph
Dynamic fracture of a bicontinuously nanostructured copolymer: A deep-learning analysis of big-data-generating experiment
Brown University（布朗大学）
在这里，我们报告了详细的动态内聚性能（DCP）的测量，超越了双连续纳米结构共聚物聚脲在极端加载速率下的动态断裂韧性，来自动态大数据生成实验的深度学习分析。本文首先介绍了一种新的动态线像剪切干涉仪（DL-ISI），它利用条纹相机记录样品后表面沿一条直线的位移梯度-时间曲线的光学条纹。该系统使我们能够在平板冲击实验中检测裂纹的萌生和扩展过程。然后，我们提出了一个基于卷积神经网络（CNN）的深度学习框架，通过广泛的有限元模拟进行训练，从DL-ISI条纹图像中反向确定准确的DCP。对于测量，板冲击实验进行了一组样品与中平面裂纹。首先采用条件生成对抗网络（cGAN）利用记录的部分DL-ISI条纹重建缺失的DL-ISI条纹。然后，将CNN和相关方法应用于完全重建的条纹，以获得动态断裂韧性，12.1kJ/m^2，内聚强度，302 MPa，最大内聚分离，80.5 μ m，分别在0.4%，2.7%和2.2%的差异内。首次通过DL-ISI利用预先训练的CNN和cGAN重建数据集的相关性分析成功获得了聚脲的DCP。动态内聚强度被发现是近三倍高于动态故障启动强度。高的动态断裂韧性被认为是源于高的动态内聚强度和动态内聚分离的高延性。
2022-03-17 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cs.LG
Atomic-scale interaction of a crack and an infiltrating fluid
在这项工作中，我们调查的Orowan假说，即减少表面能，由于表面吸附直接导致降低断裂韧性，在原子/分子水平。我们采用了一个Lennard-Jones系统与狭缝裂纹和渗透流体，名义上与金-水的属性，并探讨通过改变流体颗粒的软半径和表面能/疏水性的影响，通过固-液结合能的空间效应。使用以前开发的方法，我们采用的J-积分来量化的敏感性断裂韧性的影响的流体上的裂纹尖端，并利用无量纲缩放，发现普遍的趋势行为。
2018-08-23 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Why is nacre strong? II: remaining mechanical weakness for cracks propagating along the sheets
在我们以前的论文（Eur。Phys.J.E4，121（2001）），我们提出了用于珍珠层或硬层和软层的分层结构的粗粒弹性能。然后，我们分析了垂直于层的裂纹，并提出了这种物质韧性增强的一个可能原因。在本文中，我们考虑一个平行于层的裂纹。我们提出了一个新的术语添加到以前的弹性能量，这是与层的弯曲。我们发现，有两个制度的平行断裂解决方案的弹性能量;附近的断裂尖端的变形场是由一个抛物型微分方程，而远离尖端的字段遵循通常的椭圆方程。分析结果表明，断裂尖端是透镜状的，正如一篇关于近晶相液晶的论文（P.G. de Gennes，Europhys. Lett. 13（8），709（1990））。相反，远离尖端，应力和变形分布恢复通常的奇异行为（分别为sqrt（x）和1/sqrt（x），其中x是到尖端的距离）。这表明在平行断裂的情况下韧性没有增强。
2002-03-12 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Predicting Fracture Energies and Crack-Tip Fields of Soft Tough Materials
包括弹性体和凝胶的软材料在生物系统和技术应用中普遍存在。尽管已知软材料的固有断裂能相对较低，但对固有断裂能如何与工艺区中的机械耗散协作以赋予软材料高断裂韧性还不很清楚。此外，软韧材料的断裂能和裂尖应变场的预测也是一个挑战。在这里，我们报告了一个缩放理论，占内在的断裂能和耗散的增韧软材料的协同效应。然后，我们开发了一个耦合的粘性区和Mullins效应模型能够定量预测断裂能的软韧性材料和大变形下的软材料裂纹尖端周围的应变场。通过软韧材料大变形断裂实验，定量验证了理论和模型的正确性。提出了一种通用的韧化图，可用于指导新型软韧材料的设计。
2015-06-13 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
On mixed-mode fracture mechanics models for contact area reduction under shear load in soft materials
在存在宏观粘着力的情况下，如在软物体中，摩擦的基本问题正引起许多实验学家的兴趣。自从Savkoor和Briggs的第一个断裂力学“纯脆性”模型以来，已经提出了用现象学拟合系数解释混合模式韧性的模型，该模型引入了比“纯脆性”模型预期的更弱的模式之间的耦合。我们在这里比较两个这样的先前提出的模型，并介绍了第三个，以表明过渡到滑动是非常敏感的混合模式模型的形式。特别是，对于中等切向载荷，在接触面积随载荷的二次衰减后，可能存在一个拐点和一个渐近极限，或跳跃到赫兹接触面积。我们还发现，在载荷或位移控制下，失稳点是不同的。混合模式函数和参数应该是接口属性的想法可能是错误的。
2018-09-27 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Brittle to ductile transitions in glasses: Roles of soft defects and loading geometry
了解玻璃的断裂韧性对科学和技术是至关重要的。我们在这里研究它使用广泛的原子模拟，其中的相互作用势，玻璃化转变冷却速率和加载几何形状系统地变化，模仿广泛的实验可访问的属性。通过$A_{\rm g}$对玻璃的非平衡机械无序进行量化，$A_{\rm g}$是非声子激发的普遍谱的无量纲前因子，其测量影响塑性变形的软玻璃缺陷的丰度。我们表明，虽然脆韧性转变可能会引起减少冷却速率，导致减少$A_{\rm g}$，ISO- $\!A_{\rm g}$玻璃是脆性或韧性取决于泊松收缩的程度下无约束的单轴拉伸。使用约束张力消除泊松收缩揭示了iso- $\!A_{\rm g}$玻璃具有相似的韧性，并且在这些条件下改变$A_{\rm g}$导致显著的韧性变化。我们的研究结果突出了软缺陷和加载几何形状（影响缺陷的激活）在玻璃韧性中所起的作用。
2021-03-09 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
