Phase field study of the effective fracture energy increase during dynamic crack propagation in disordered heterogeneous materials
本文通过相场模型研究异质材料中三维裂纹扩展，发现软夹杂物的分布不均匀性对弹性能影响小，但会显著提高裂纹扩展阈值。
2025-03-10 cond-mat.mtrl-sci
In-Plane fracture of laminated fiber reinforced composites with varying fracture resistance: experimental observations and numerical crack propagation simulations
采用变分多尺度内聚方法（VMCM）分析了纤维增强复合材料层合板面内断裂的一系列实验结果。VMCM的结果表明，试样的几何形状和载荷分布的纤维增强板的大规模桥接裂纹的扩展的影响。实验观察到的抗断裂性能的变化是通过比较实验和VMCM的几何缩放的单边缺口三点弯曲（SETB）标本的载荷-位移响应数值证实。结果阐明了这类材料的牵引分离关系的大小依赖性，即使在中等大小的标本，相反的传统理解，它是一种材料的属性。一个“自由桥接区”（不同于传统的“全桥接区”）的存在是公认的，并讨论了其对不断变化的断裂阻力的影响。数值模拟和随后的桥接区演变分析表明，VMCM在客观地模拟渐进裂纹扩展的多功能性，与传统的数值方案，如传统的凝聚力区建模，这需要一个先验知识的裂纹路径。
2015-08-21 cond-mat.mtrl-sci
Ductile fracture in functionally graded materials: Insight into crack behavior within the gradient interface
本研究通过数值方法探讨延性功能梯度材料中梯度界面内的裂纹扩展，揭示塑性应变与裂纹模式的关系，并分析入射角与梯度宽度的影响，为设计裂纹止裂行为提供新见解。
2024-12-16 cond-mat.mtrl-sci
Crack Front Segmentation and Facet Coarsening in Mixed-Mode Fracture
当加载有垂直于裂纹平面的拉伸应力（模式I）和平行于裂纹前缘的剪切应力（模式III）时，平面裂纹一般分成形状为倾斜刻面的“子裂纹”阵列。我们调查小平面的传播和粗化使用在准静态混合模式裂纹扩展和相场模拟的不同阶段的断裂表面的原位显微镜观察。结果表明，从传播的平面分段裂纹前缘的分叉是强烈的亚临界，调和以前的线性稳定性分析的理论预测与实验观察。他们进一步表明，刻面粗化是由刻面阵列的空间倍周期不稳定性驱动的自相似过程，其生长速率取决于模式混合度。这些结果对于理解各种材料的失效具有重要意义。
2015-09-16 cond-mat.mtrl-sci
Size Effect in Fracture: Roughening of Crack Surfaces and Asymptotic Analysis
最近，提出了描述断裂表面粗糙度发展的标度律与裂纹扩展过程中释放的宏观弹性能相关[Mor00]。在此基础上，一个基于能量的渐近分析，允许扩展到名义强度的结构的链接。我们表明，一个家庭Vicsek标度导致线弹性断裂力学的经典尺寸效应。相反，在异常标度的情况下，有一个平滑的过渡，从没有尺寸效应的情况下，小的结构尺寸，幂律尺寸效应，出现弱于线弹性断裂力学的情况下，大尺寸。这一预测得到了木材断裂实验的证实。
2002-01-04 cond-mat.mtrl-sci
Peridynamic modeling of the crack velocity dependence via an incubation time fracture criterion
University of Rostock（罗斯托克大学）；University of Strathclyde（思克莱德大学）
本研究采用近场动力学方法，结合远程应力断裂准则与孵化时间断裂准则，模拟了Ravi-Chandar和Knauss的脆性Homalite-100聚合物板实验，揭示了裂纹扩展速度对瞬时应力强度因子的影响及高速下的微分支现象。
2026-01-06 cond-mat.mtrl-sci
Observing the crack tip behaviour at the nanoscale during fracture of ceramics
本研究通过透射电镜原位观察陶瓷裂纹尖端纳米尺度行为，发现相变增韧机制在纳米层面促进裂纹偏转，将断裂抗力提高约50%，连接了原子与连续介质断裂视角。
2024-07-19 cond-mat.mtrl-sci
Hydrogen-induced fast fracture in a 1.5 GPa dual-phase steel
本研究通过实验揭示1.5 GPa双相钢在氢预充下的氢脆机制，提出氢致快速断裂模型，阐明氢扩散与裂纹速度对脆性断裂的协同作用。
2025-09-12 cond-mat.mtrl-sci
Formal Considerations about Fracture: Nucleation and Growth
在本文中，我们将回答几个抽象的，正式的问题，裂纹扩展和成核的性质。把场论的观点带到断裂中来，以我希望会是一种有趣的方式照亮了事情。形式上，裂纹形核率是多少？断裂是弹性理论中受拉状态下的一种不稳定性。对于热形核裂纹，与过冷液体类似。在这里，裂纹成核速率可以被认为是自由能的虚部-给出亚稳态拉伸材料的衰减速率。作为一个有趣的结果，我们可以正式计算高阶非线性弹性系数的渐近形式，并明确表明弹性理论的收敛半径为零。从形式上讲，我们能否从对称性导出裂纹扩展规律？混合型三维断裂可以描述为一条在空间中运动的曲线，用局部裂纹面的描述来修饰，并由沿裂纹方向的应力强度因子驱动。强加的对称性给我们的形式的裂纹扩展法律在两个维度上，解释了（众所周知的）事实，即裂纹剪切（模式II）突然转向，直到应力成为纯粹的拉伸（模式I）。将推导出三维裂纹扩展规律的形式，并简要总结了与工厂屋顶形态有关的混合型断裂的线性稳定性分析。
2001-02-28 cond-mat.mtrl-sci
Crack-path selection in phase-field models for brittle fracture
这项工作提出了一个关键的概述模型制定的不同方面的影响，在准静态相场断裂裂纹路径选择。我们考虑不同的演化方法，力学公式，断裂耗散能公式，和形式的不可逆性条件。不同的模型变体是通过基于FFT的求解器，基于相场和力学子问题的交错求解的常用数值方法来实现的。这些方法将标准方法与新的元素混合在一起，例如使用相场子问题的有界约束共轭梯度和近平衡演化的启发式方法。我们研究了简单模型系统和随机异质杨氏模量的微观结构模型变量之间的裂纹路径的差异。我们的研究结果表明，近平衡演化方法是更好的准静态断裂的异质微结构相比，最小化和时间相关的方法。在检查力学公式，我们发现显着的影响，裂纹驱动力和接触模型隐含在相场断裂。我们的研究结果有利于使用应变谱分解的裂纹驱动力，但不是接触模型。不可逆条件和断裂耗散能公式也被发现影响裂纹路径的选择，但系统的影响是很难推断出由于整体的敏感性裂纹选择内的非均匀微观结构。我们的研究结果支持使用的AT1模型的AT2模型和不可逆的相场内的裂纹集，而不是整个域。通过降低裂纹宽度参数$\ell$（相对于随机微结构的尺寸尺度），降低了对配方中这些差异的敏感性，但并未消除。
2022-03-30 cond-mat.mtrl-sci
The Breakdown of Linear Elastic Fracture Mechanics near the Tip of a Rapid Crack
我们提出了高分辨率测量的位移和应变场附近的动态（模式I）裂纹尖端。实验进行聚丙烯酰胺凝胶，脆性弹性体的断裂动力学镜那些典型的脆性无定形材料。在很宽的传播速度（$0.2-0.8c_s$）范围内，我们比较线弹性断裂力学（LEFM）测得的近端场。我们发现，足够接近的尖端，测得的应力强度因子似乎是非唯一的，裂纹尖端显着偏离其预测的抛物线形式，和尖端前的应变更奇异的比LEFM预测的$r^{-1/2}$发散。这些结果显示了当接近裂纹尖端时，LEFM如何分解。
2008-10-07 cond-mat.mtrl-sci
Engineered Defects to Modulate Fracture Strength of Single Layer MoS2: An Atomistic Study
我们使用经典的分子动力学（MD）模拟研究预裂纹，纳米多孔单层二硫化钼（SLMoS2）的力学性能和裂纹和孔之间的相互作用的影响。我们发现，预裂纹和纳米多孔SLMoS2的失效是以脆性断裂为主。扶手椅方向的粘结比锯齿方向的粘结具有更强的抗裂纹扩展能力。我们将Griffith预测的脆性失效与MD断裂强度和韧性进行了比较，发现在纳米裂纹和孔隙的情况下，Griffith准则对SLMoS2的适用性受到限制。接下来，我们证明了预开裂SLMoS2的机械性能可以通过对称放置的孔和辅助裂纹周围的中心裂纹和位置，可以优化这种安排的强度的最大增强。这样的研究将有助于基于应变工程的SLMoS2和其他类似的过渡金属二硫属化物的先进设计。
2020-04-22 cond-mat.mtrl-sci
Phase-field modeling of fracture in heterogeneous materials -- jump conditions, convergence and crack propagation
在这方面的贡献，一个变分扩散模型框架的非均匀介质中的裂纹。一个静态的序参量平滑地桥接了材料界面处的不连续性，而一个不断发展的相场捕获了正则化的裂纹。关键的新颖性是应变能分裂与扩散界面附近的部分秩-I松弛的组合。前者是必要的，以考虑物理意义的裂纹运动学，如裂纹闭合，后者确保整个扩散区域的机械跳跃条件。收敛性研究验证了该模型，其中一个圆形的双材料盘与无裂纹进行径向载荷。对于无裂纹的情况，采用解析解作为参考。在第二步中，该模型被应用到裂纹扩展，其中观察到裂纹分支的有意义的影响，强调了一个合理的均匀化方案的必要性。所提出的模型是特别相关的组合的任何变化的应变能分裂的断裂相场模型与材料的非均匀性的扩散建模方法。
2020-09-04 cond-mat.mtrl-sci
Revisiting the problem of a crack impinging on an interface: a modeling framework for the interaction between the phase field approach for brittle fracture and the interface cohesive zone model
由于裂纹在固体力学和物理学中的重要作用，近三十年来，人们对裂纹撞击界面问题进行了深入的研究。在这项调查中，这个问题是重新考虑的脆性断裂相场方法的最新进展。在这方面，一种新的配方相结合的方法建模脆性断裂的散装和一个凝聚力区模型预先存在的粘合剂界面，本文提出了调查之间的竞争裂纹穿透和偏转的接口。该模型，使用单片全隐式的解决方案的有限元方法框架内实施，应用于提供进一步了解模型参数对上述竞争的作用。特别是，在这项研究中，断裂韧性比之间的界面和相邻的散装和耗散模型的特征长度尺度的作用进行了分析。在脆性界面的情况下，裂纹穿透，单偏转或双偏转的线弹性断裂力学准则的基础上的渐近预测完全捕获本方法。此外，通过增加沿界面的处理区的大小，或通过改变相场模型的内部长度尺度，新的复杂现象正在出现，如同时裂纹穿透和偏转以及从单个裂纹穿透到偏转和穿透的过渡，随后分支到本体中。
2017-02-03 cond-mat.mtrl-sci
Role of surface waves on the relation between crack speed and the work of fracture
我们表明，断裂工作的尖端的一个前进的平面裂纹的表面声子发射强烈减少，导致禁止的范围内的裂纹速度。发射可以解释通过色散的群速度，瑞利和洛夫分支以及其他高频分支的表面波色散关系的贡献。我们还表明，能量释放率，进入格里菲斯标准的裂纹前进可以描述为产品的连续溶液的功能，只依赖于晶格的几何形状和描述的晶格上的声子发射的影响。使用一种新的有限元模型进行模拟，用于模拟弹性和断裂。该模型，建立允许快速和非常大的三维模拟，适用于二维样品的简化情况。
2002-08-16 cond-mat.mtrl-sci
Adaptive Mesh Coarsening for Efficient Phase-Field Fracture Simulations
Georgia Institute of Technology（佐治亚理工学院）；Vanderbilt University（范德堡大学）
本文提出一种结合自适应细化的网格粗化框架，通过粗裂纹带替换裂纹尾迹并基于材料强度面违反的物理指示器，实现仅细化裂纹尖端附近区域，从而大幅提升相场断裂模拟效率。
2026-09-21 cond-mat.mtrl-sci
Quantitative prediction of the fracture toughness of amorphous carbon from atomic-scale simulations
断裂是非晶碳（a-C）薄膜失效的根本原因，然而通过纳米压痕测试来测量a-C薄膜的断裂特性具有挑战性，并且已有的实验结果并不一致。在这里，我们使用原子尺度的模拟，使定量和力学预测断裂的a-C。系统的大规模K场控制的原子尺度模拟裂纹扩展进行的a-C样品的密度为$ρ=2.5, \, 3.0 \, \text{ and } 3.5~\text{g/cm}^{3}$的液体淬火产生的淬火速率范围$\dot{T}_q = 10 - 1000~\text{K/ps}$。模拟结果表明，裂纹通过孔洞的形核、长大和合并而扩展。成核空隙之间的$ \approx 1\, \text{nm}$距离导致类似脆性的断裂韧性。我们使用Drugan，Rice \& Sham提出的裂纹扩展准则来估计基于我们的短裂纹长度断裂模拟的稳态断裂韧性。断裂韧性值的$2.4-6.0\,\text{MPa}\sqrt{\text{m}}$的启动和$3-10\,\text{MPa}\sqrt{\text{m}}$的稳态裂纹扩展的实验报告的范围内。这些研究结果表明，原子尺度的模拟可以提供定量的预测结果，即使是韧性裂纹扩展机制的材料断裂。
2020-09-22 cond-mat.mtrl-sci
Fractoluminescence characterization of the energy dissipated during fast fracture of glass
对两种硅酸盐玻璃进行了断裂发光实验。动态断裂过程中收集的所有光谱揭示了黑体辐射行为，这被解释为裂纹尖端附近的裂纹速度依赖的温度上升。裂纹速度估计为1300 m.s $^{-1}$的顺序和断裂过程区被证明是在几个纳米范围内延伸。
2012-06-30 cond-mat.mtrl-sci
Adaptation of the tapered double cantilever beam test for the measurement of fracture energy and its variations with crack speed
在这项工作中，我们提出了一个新的测试几何形状的设计灵感来自于锥形双悬臂梁（TDCB）的标本，这表明提供了一个改进的表征脆性固体的断裂性能。首先，我们表明，我们的新设计的结果在一个指数增加的试样符合裂纹长度，导致在测试过程中一个非常稳定的裂纹扩展。我们确定了这种行为的分析描述，它提供了一个简单的程序来提取断裂能，而不依赖于有限元计算。对聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）样本进行确认测试。我们使用有限元模拟和我们的分析模型来解释数据。我们发现这两种方法确定的韧性之间有很好的一致性。在我们改进的TDCB试样中，裂纹扩展的稳定性导致裂纹速度的精确控制。利用这一特征进一步表征了韧性随裂纹速度的变化。我们提出了一个原始的优化程序，用于确定表征韧性率依赖性的动力学定律的材料参数。总的来说，所提出的方法与新设计的测试几何形状一起为脆性材料（如岩石、砂岩、砂浆等）的断裂行为的全面和准确表征提供了前所未有的可能性。
2021-01-12 cond-mat.mtrl-sci
Ductility mechanisms in complex concentrated refractory alloys from atomistic fracture simulations
通过原子尺度断裂模拟，发现复杂浓缩难熔合金的延性受成分复杂性影响，NbMoTaW促进位错成核，Nb45Ta25Ti15Hf15通过位错积累提高抗裂性。
2025-02-25 cond-mat.mtrl-sci
The Competing Effect of Initial Crack Depth Versus Chemical Strengthening Parameters on Apparent Fracture Toughness of Sodium Aluminosilicate Glass
钠铝硅酸盐玻璃由于其机械和光学性能（透明性、介电性等）而在许多工程应用中得到广泛使用，近年来变得普遍。然而，玻璃是一种脆性材料，具有其脆弱性，易于断裂。诸如热处理（热回火）或通过离子交换的化学强化等工艺已被用于在玻璃上产生残余应力分布，以提高其断裂强度。然而，故障仍然发生，这大多是灾难性的，维修费用昂贵。因此，理解、预测并最终提高化学强化玻璃的抗损坏或抗断裂性对于设计在保持其透明度的同时更坚固的新玻璃非常重要。在这项研究中，使用碳化硅颗粒爆炸加环上环（RoR）测试方法的玻璃残余应力参数，如压缩应力（CS），压缩层深度（DOL），和中心张力（CT）与表观（有效）断裂韧性不同的裂纹深度之间的关系进行了研究。结果还表明，通过化学强化提高玻璃的抗断裂性需要CS、DOL和CT的适当组合，这特别取决于初始/存在的裂纹（瑕疵）深度。据确定，对于涉及引入浅裂纹深度的损伤事件，在表观断裂韧性方面，最佳抗断裂性的标准更倾向于高CS，而不是深DOL，而对于深缺陷损伤事件，它更倾向于深DOL，而不是高CS。这些结果为工程应用中设计更坚固的玻璃提供了有价值的信息。
2020-12-08 cond-mat.mtrl-sci
Discontinuous Crack Fronts of Three-Dimensional Fractures
通过直接观察凝胶中的脆性裂纹，研究了裂纹前缘的三维结构与断裂表面形貌之间的关系。在这项研究中的一个关键概念是裂纹前沿的不连续性，其前进创建的断裂面。我们讨论了我们的研究结果在一般的三维脆性断裂的研究意义。
1998-10-13 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Influence of fracture criteria on dynamic fracture propagation in a discrete chain
在这项工作中，时间相关的断裂准则影响断裂的离散结构中的动态行为的程度进行了讨论。研究了半无限各向同性振子链的最简单情况。两个历史依赖的标准相比，线性债券的阈值伸长率的经典之一。结果表明，在低亚音速裂纹速度范围内，根据经典准则是不可能达到稳态区域的。详细解释了载荷和裂纹张开度与速度的关系。在低亚音速裂纹速度，特别是在可实现的稳态传播制度的历史依赖的标准观察到一个强大的定性影响。
2017-10-23 cond-mat.mtrl-sci
Phase Field Modeling of Chemomechanical Fracture of Intercalation Electrodes: Role of Charging Rate and Dimensionality
我们研究了断裂的锂离子电池阴极颗粒，使用一个philically一致的相场方法，可以描述任意复杂的裂纹路径，并捕获锂离子扩散，应力和断裂之间的充分耦合。建立在早期的研究，介绍了电化学冲击的概念，我们使用这种方法来量化稳定或不稳定的裂纹扩展，缺陷尺寸和C-速率的2D磁盘和3D球形颗粒之间的关系。我们发现，在一个中间范围内的缺陷尺寸，裂纹扩展的临界缺陷尺寸取决于充电率作为一个近似的幂律，我们推导出解析。这种比例律在2D中通过详尽的模拟进行量化，并且也得到3D模拟的支持。此外，我们的研究结果揭示了2D和3D几何形状之间的显着差异。在2D中，裂纹以直线方式在颗粒内部深处传播，而在3D中，它们在表面上沿周边传播并分叉成子裂纹，从而限制向内渗透并产生复杂的裂纹几何形状。
2019-06-19 cond-mat.mtrl-sci
Crack Growth Laws from Symmetry
回顾与Jennifer Hodgdon合作完成的工作，我们推导出混合模式三维断裂对称性允许的最一般的裂纹扩展定律。我们使用凝聚态物理中开发的系统来推导在长尺度和时间尺度上出现的新定律。在我们的推导中，我们提供了一个对称性解释的三种模式的断裂，我们重新推导的法律给出的裂纹扩展方向在二维断裂，我们推导出一个增长规律适合于三维模拟。我们简要地讨论了相关的工作之后，我们的，纳入无序，动力学，和其他内部变量。
2002-06-11 cond-mat.mtrl-sci
Fracture resistance of zigzag single walled carbon nanotubes
脆性断裂是单壁碳纳米管在机械载荷作用下的重要失效模式之一。在本文中，锯齿形单壁碳纳米管与预先存在的缺陷的断裂阻力计算断裂力学概念的基础上原子模拟。在有限温度下的不稳定裂纹生长的问题，大概是由晶格捕获效应引起的，是通过计算应变能释放率通过一系列的单壁碳纳米管的位移控制的拉伸载荷（通过移动原子的最外层在一端以恒定的应变速率9.4x10-4/ps）预先存在的各种长度的裂纹状缺陷。应变能释放率，G，计算为（17，0），（28，0）和（35，0）单壁碳纳米管（每个纵横比为4）与预先存在的裂纹长达29.5微米。在三种不同温度（1 K、300 K和500 K）下，将断裂阻力Gc确定为每个管的裂纹长度的函数。观察到Gc对裂纹长度的显著依赖性，这让人联想到宏观尺度下金属的R曲线上升行为：对于锯齿形纳米管，Gc在小长度下随裂纹长度增加，并且如果管直径足够大，则趋于达到恒定值。我们推测晶格陷阱效应在原子尺度上起着裂尖塑性的作用。例如，在300开尔文，当裂纹长度超过20埃时，纵横比为4的（35，0）管的Gc收敛到6焦耳/m2。该值与石墨和硅的断裂韧性相当。随着温度的升高，管的抗断裂性能显著降低。为了研究长度效应，重复计算具有相同的三个手性，但纵横比为8的锯齿形纳米管在1 K。
2015-08-10 cond-mat.mtrl-sci
Crack propagation threshold in single-crystal silicon: a cleavage plane-crackons model
State Key Laboratory of Bio-based Fiber Materials, Tianjin University of Science and Technology（天津科技大学生物基纤维材料国家重点实验室）
该研究提出解理面-裂纹子模型，揭示硅裂纹速度与量子数的关系，确定临界量子数并关联断裂韧性，为理解晶体断裂机制提供新方法。
2026-09-14 cond-mat.mtrl-sci
Fracture energy of gels
为了澄清裂纹速度和交联密度对丙烯酰胺凝胶断裂能的影响，我们评估了断裂表面的粗糙度，并测量了断裂能，同时考虑到粗糙度。在快速断裂区，断裂能随断裂速度$V$线性增加，随交联密度的增加，断裂能随$V$的增加速率减小。在慢裂纹速度区，断裂能对裂纹速度的依赖性比在快裂纹速度区更强。这表明凝胶的断裂过程中存在着质的变化。
2000-07-07 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Fracture mechanics of micro samples: Fundamental considerations
在这篇综述文章中，我们从断裂力学的角度考虑了微米和亚微米尺寸样品的裂纹扩展阻力。标准断裂力学试验程序是为宏观尺度样品开发的，试样尺寸减少三到五个数量级会产生严重的后果。这涉及到微观和纳米力学所获得的结果的解释，以及微和纳米器件的寿命和故障预测。我们讨论了相关的断裂力学长度尺度及其与材料特定结构长度的关系，以便进行严格的断裂力学实验。为了确保一般的有效性和适用性的评价概念，这些比例的考虑是详细的理想脆性，半脆性和微延性裂纹扩展，受到单调和循环载荷。特别注意的是，用于确定各种加载类型的试样尺寸的要求，以测量在小尺度的材料特性裂纹扩展阻力。最后，我们讨论了新的可能性微米和亚微米断裂力学测试，以提高特定的裂纹扩展过程的基本理解。
2020-09-04 cond-mat.mtrl-sci
A Direct Derivation of the Griffith-Irwin Relationship using a Crack tip Unloading Stress Wave Model
这是这篇短文的目的是表明，著名的格里菲斯理论的脆性断裂可以重新解释为一个简单的情况下修改的哈密顿量，并对应于一个固定的行动解决方案，使用欧拉-拉格朗日方程。在推导过程中，仍然需要采用与Irwin应力强度因子法等价的方法来得到Griffith-Irwin方程。然后，它表明，如果物理断裂建模使用一个简化的裂纹尖端应力波卸载模型，然后格里菲斯-欧文关系可以在一个单一的过程中，这是一个主要的简化过程。此外，简化的裂纹尖端应力波卸载模型提供了一个更清晰的视图的基本物理断裂。关键词：断裂，Griffiths，Hamilton，应力波.
2008-10-13 cond-mat.mtrl-sci
Physical picture for fractures in stratified materials: viscoelastic effects in large cracks
我们提出了一个直观的物理图片裂缝珍珠型层状材料通过缩放参数：断裂周围的应变分布是相当不同的方向和大小的骨折。因此，我们观察到，粘弹性效应是重要的平行骨折。通过最简单的弱交联聚合物粘弹性模型考虑了这些影响。在一定的范围内，我们发现了类似于某些聚合物中的喇叭形裂纹形状，并预测了某些分层材料在这种模式下的断裂能。
2002-12-20 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Velocity Fluctuations in Dynamical Fracture: the Role of Microcracks
本文研究了应力材料中快速运动裂纹的速度波动。这种波动的一种可能机制是主裂纹与微裂纹的相互作用（无论这些是现有的材料缺陷还是在裂纹演化过程中形成的）。我们仔细分析了一个宏观和一个微观裂纹的动力学（在2个空间维度），并证明了它们的相互作用的结果在一个{ \em大}和{ \em快速}的速度波动，在定性对应于实验中观察到的典型的速度波动。在发展理论的动态相互作用，我们调用一个近似，提供了一个简单的一组常微分方程的位置的裂纹尖端的数学复杂性降低，我们建议，这种近似的有用性范围，超出了目前的情况。
2004-03-28 cond-mat.mtrl-sci
Crack tip kinematics reveal the cohesive zone structure in brittle hydrogel fracture
本研究利用显微学方法探测脆性水凝胶裂纹尖端的小尺度屈服区，直接测量并确定了通过内聚力丧失耗散大部分能量的区域尺度和结构，为脆性材料破坏机制提供了新见解。
2023-02-07 cond-mat.mtrl-sci
Flexoelectric fracture-filter effect in ferroelectrics
裂纹的扩展前沿产生大的应变梯度，因此是梯度诱导极化（挠曲电）的强源。在此，我们证明，在压电材料中，挠曲电性的结果是，根据它与压电极轴是平行还是反平行，裂纹传播将被帮助或阻碍。这意味着断裂物理学理论不能再假设极性材料的力学对称性。断裂不对称性的发现也对铁电体和压电换能器的机电疲劳具有实际影响，并且为基于裂纹的纳米图案化提供了新的自由度。
2018-09-26 cond-mat.mtrl-sci
Dynamic Fracture in Single Crystal Silicon
我们测量了脆性单晶硅中裂纹扩展速度与裂纹尖端能量流的关系。实验的目的是允许直接比较分子动力学模拟，因此实验提供了一个间接的，但灵敏的测试原子间的潜力。在原子尺度上对脆性裂纹运动进行分子动力学模拟，我们发现实验和模拟不一致，表明原子间势尚未得到很好的理解。
1999-04-05 cond-mat.mtrl-sci
Nanomechanics of Antimonene Allotropes
单层锑烯由于其良好的物理性能而引起了研究界的关注。但锑烯的机械性质在很大程度上仍未被探索。本文采用分子动力学（MD）模拟方法研究了单层锑烯的两个稳定相--$α$锑烯（$α$ -Sb）和$β$锑烯（$β$ -Sb）的力学性能和断裂机制。我们的模拟结果表明，较强的手征效应导致更大的各向异性弹性行为在$β$锑烯比在$α$锑烯。在本文中，我们专注于裂纹尖端的应力分布，采用局部体积平均维里应力的定义，并推导出断裂韧性的裂纹线应力。我们计算出的裂纹尖端应力分布，确保了线弹性断裂力学（LEFM）的适用性，为开裂锑同素异形体具有相当大的精度，以一个原始的结构。我们评估了温度，应变速率，裂纹长度和点缺陷集中的强度和弹性性能的影响。随着温度的升高、裂纹长度的增加和缺陷率的增加，抗拉强度都有明显的下降。弹性模量不太容易受到温度变化的影响，但很大程度上受到缺陷浓度的影响。应变率导致强度与断裂应变之间的幂律关系。最后，我们讨论了断裂机制的光裂纹扩展，并建立断裂机制和观察到的各向异性性能之间的联系。
2020-09-17 cond-mat.mtrl-sci
Fracture as a pattern formation process
提出并讨论了裂纹扩展的连续介质模型。我们获得了稳态解与自洽选择的传播速度和形状的裂纹，弹性动力学和粘弹性效应考虑在内。考虑了两种不同的裂纹扩展机制，一级相变和表面扩散，并讨论了不同的加载方式。所产生的自由边界问题的解决相场法和尖锐的界面方法，使用多极展开技术。
2010-12-17 cond-mat.mtrl-sci
Branching Instabilities in Rapid Fracture: Dynamics and Geometry
我们提出了一个理论模型的分支不稳定性在2维骨折，提供预测裂纹分支时发生，多个裂纹如何发展，以及什么是多个分支的几何形状。该模型是基于裂纹尖端的运动方程，它只依赖于随时间变化的应力强度因子。后者是通过调用静态和动态应力强度因子之间的近似关系，以及静态的基本上精确的计算。该模型的结果与大量的实验数据吻合良好。
2004-10-18 cond-mat.mtrl-sci
Atomistic fracture in bcc iron revealed by active learning of Gaussian approximation potential
体心立方（bcc）铁的原子断裂机制的预测是理解其半脆性的本质。现有的基于经典原子间作用势的I型载荷下裂纹尖端变形机制的原子模拟产生了相互矛盾的预测。为了使断裂预测与量子精度，我们开发了一个高斯近似势（GAP）使用主动学习策略，通过扩展铁磁体心立方铁的密度泛函理论（DFT）数据库。我们应用主动学习算法，并获得一个Fe GAP模型的最大预测误差为8毫电子伏/原子在广泛的应力强度因子（SIF）和四个裂纹系统。分析了该方法的学习效率，并将预测的临界应力强度因子与Griffith和Rice理论进行了比较。模拟结果表明，在T= 0 K时，{100}和{110}裂纹面的裂尖机制均为沿原裂纹面的解理，从而解决了一个长期存在的争论。我们的工作还强调了需要一个多尺度的方法来预测断裂和内在的延展性，有限的温度，有限的加载速率的影响和预先存在的缺陷（如纳米空隙，位错）应明确考虑。
2022-09-14 cond-mat.mtrl-sci
Node-to-segment and node-to-surface interface finite elements for fracture mechanics
用于离散粘性裂纹的现有界面单元的拓扑结构是这样的，它们可以用于计算两个相对段（在2D中）或属于相对裂纹面的两个相对刻面（在3D中）的相对位移（位移不连续性），并执行粘性牵引分离关系。在目前的工作中，我们提出了一种新型的界面单元断裂力学共享一些类似的节点到段（在2D）和节点到表面（在3D）的接触元素。利用裂纹面有限元离散化节点相对于其在对立面投影点的位移间隙，确定了隐式求解格式的粘聚力、残余矢量及其一致线性化。与经典的界面有限元的优点是：（i）非匹配的有限元离散的相对裂纹面是可能的;（ii）容易建模的粘性裂纹与非传播的裂纹尖端;（iii）内部的旋转平衡的界面元素是保证。详细的例子显示所提出的方法在非线性断裂力学问题的实用性。
2016-04-18 cond-mat.mtrl-sci
Combined molecular dynamics and phase-field modelling of crack propagation in defective graphene
在这项工作中，提出了一种组合的建模方法在有缺陷的石墨烯裂纹扩展。分子动力学（MD）模拟用于获得材料参数（杨氏模量和泊松比），并确定裂纹演化过程中的能量贡献。弹性性能，然后应用在相场连续模拟的基础上的格里菲斯能量断裂准则。特别是，点缺陷的弹性性能和断裂韧性的影响进行了研究。对于后者，我们得到的值与最近的实验结果一致。此外，我们讨论了替代定义的有效断裂韧性，占裂纹扩展的条件，并建立了动态，离散和连续，准静态断裂过程之间的联系MD水平和连续水平，分别。结果表明，MD和相场模拟相结合是一个有充分依据的方法来识别缺陷相关的材料参数。
2019-03-20 cond-mat.mtrl-sci
A comparison of phase field models of brittle fracture incorporating strength: I -- Mixed-mode loading
本文系统比较了三种考虑强度的脆性断裂相场模型在II型、III型及混合模式加载下的裂纹扩展预测能力，证实完全形核方法最可靠，并揭示了其他方法在强度面处理和断裂韧性预测上的不足。
2025-02-06 cond-mat.mtrl-sci
Numerical analysis of quasi-static fracture in functionally graded materials
本工作探讨了现有的功能梯度材料（FGMs）的断裂问题的数值模拟的能力和局限性，通过著名的有限元程序ABAQUS。准静态裂纹萌生和扩展的平面功能梯度材料进行了评估。断裂参数的计算结果与实验结果进行了比较，取得了良好的一致性。通过灵敏度研究，深入分析了有限元模型中弹性参数数值拟合的重要性，并提出了一种新的方法。几个关键的计算问题，从连续变化的材料性能也得到解决，并在附录中提供了一个用户子程序USDFLD的源代码的属性变化的有效实施。通过扩展有限元法计算裂纹扩展路径，并随后与现有的实验数据进行比较。讨论了局部断裂准则对模拟功能梯度材料裂纹轨迹的适用性，并提出了一种新的裂纹扩展准则。
2017-10-31 cond-mat.mtrl-sci
Supersonic crack propagation in a class of lattice models of Mode III brittle fracture
我们研究了一个晶格模型的模式III裂纹在脆性材料中的条纹几何形状在不断施加拉伸。材料在大变形时的硬化产生超音速裂纹扩展。对于大的拉伸，传播是由发展良好的孤子波引导的。对于低拉伸，裂纹尖端速度有一个普遍的依赖拉伸，可以得到一个简单的几何参数。
2005-07-07 cond-mat.mtrl-sci nlin.PS
Identification and characterization of three-dimensional crack propagation mechanism in the Aluminium alloy AA2024-T3 using high-resolution Digital Image Correlation
本研究利用高分辨率DIC和断口三维表征，结合有限元模拟，揭示了AA2024-T3铝合金中三维裂纹扩展机制，建立了由表面塑性区推断断裂类型和裂纹尖端载荷的映射关系，并发现断裂类型转变会引起裂纹扩展速率短期延迟。
2024-04-02 cond-mat.mtrl-sci
Nanomechanical characterization of the fracture toughness of Al/SiC nanolaminates
采用微柱劈裂和弯曲的方法测量了不同层厚（10 ~ 100 nm）的Al/SiC纳米叠层的断裂韧性。前者的裂纹面垂直于分层，而后者的缺口梁的缺口平行和垂直于分层铣削。结果表明，由于Al层的塑性形变的作用，裂纹沿金属-陶瓷界面平行于层间界面扩展，且韧性随层厚增加而增加。垂直于层的裂纹扩展显示出界面处裂纹偏转/停止的证据。在这个方向上的韧性增加的层厚度减少，由于较高的密度的接口，除了与10 nm层厚的纳米层压材料。在后者的情况下，裂纹扩展发生沿弱柱状晶界，导致韧性显着降低。
2020-08-14 cond-mat.mtrl-sci
Atomistic aspects of load transfer and fracture in CNT-reinforced aluminium
本文描述了碳纳米管（CNTs）增强铝的变形和断裂的原子模拟。我们利用密度泛函理论（DFT）研究了铝-石墨烯界面的能量学，为铝-碳经验势的参数化提供了参考数据.然后，我们研究了碳纳米管和铝之间的载荷传递及其对复合材料强化的影响。为此，我们进行单轴拉伸模拟的Al晶体与碳纳米管的各种体积分数增强。我们还研究了嵌入的碳纳米管与裂纹的相互作用。我们发现，碳纳米管和铝之间的相互作用是弱的，这样，在拉伸载荷下，碳纳米管可以很容易地在铝基体内滑动，并从开裂的表面被拉出。这种效应几乎与碳纳米管的长度和体积分数无关。在模拟原始碳纳米管穿过裂纹表面的过程中，几乎没有观察到载荷传递，因此没有观察到裂纹桥接。另一方面，几何固定在Al内部的CNT可以增加断裂应力并增强基体中的塑性耗散。位于裂纹前方的碳纳米管使裂纹变钝，并引起铝基体的塑性形变。取决于CNT取向，这些过程可以增加或减少复合材料的失效应力。
2021-10-27 cond-mat.mtrl-sci
Phase field modeling of crack propagation
断裂是材料失效的基本机制。膨胀裂纹可以表现出丰富的动力学行为，裂纹尖端区域的微观破坏过程和宏观弹性之间的微妙的相互作用控制。我们回顾了最近的方法来了解裂纹动力学使用相场方法。这种方法，最初开发的相变，具有众所周知的优点，避免明确的前跟踪，使材料界面空间扩散。在断裂的情况下，这种方法是能够捕获的短尺度物理故障和宏观线性弹性的自洽的方程组，可以模拟实验相关的长度和时间尺度。我们讨论了不同的模型，这源于连续场描述的脆性材料和晶体的相关性，以解决有关裂纹路径选择和分支不稳定性的问题，以及基于裂纹尖端尺度选择的细观概念的模型。总结了裂缝相场模型可能解决的问题。
2010-01-25 cond-mat.mtrl-sci
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
Data-Mining of In-Situ TEM Experiments: Towards Understanding Nanoscale Fracture
从纳米级传感器到宏观结构，任何工程部件的寿命和性能都受到断裂过程的强烈影响。断裂本身是一个高度局部化的事件;起源于原子尺度，通过靠近裂纹尖端的单个原子之间的键断裂。然而，这些过程与位错或晶界等缺陷相互作用，并影响更大长度尺度上的现象，最终导致宏观行为和工程规模的断裂特性。这种复杂的相互作用的根本原因是识别发生在裂纹尖端的原子结构和能量过程仍然是一个长期存在的，仍然没有解决的挑战。我们开发了一种新的分析方法相结合的定量原位观察纳米级变形过程中的裂纹尖端的三维重建的位错结构和先进的计算分析，以解决塑性和断裂引发的韧性金属。我们的组合方法揭示了位错成核的细节，它们的相互作用过程，和局部内部应力状态，所有这些都是以前无法访问的实验。这使我们能够描述断裂过程的基础上的位错水平上的局部裂纹驱动力与高保真度，铺平了道路，更好地理解和控制材料中的局部失效过程。
2022-10-03 cond-mat.mtrl-sci
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
Effective toughness of heterogeneous materials with rate-dependent fracture energy
我们研究动态断裂的非均匀材料实验通过测量位移场的破裂传播通过一个周期性阵列的障碍物的控制断裂能。我们的测量结果表明，经典的运动方程的裂纹在断裂能的不连续性的适用性：裂纹速度跳跃在入口和出口的障碍，预测的裂纹尖端的能量平衡内的脆性断裂框架。速度跳跃幅度由断裂能对比度和断裂能的速率依赖性和介质的惯性的组合决定，这允许裂纹以恒定的能量释放速率穿过断裂能不连续性。这种不连续的动力学和速率依赖性导致更高的有效韧性，这决定了这些裂纹的粗晶行为。
2021-06-28 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Determination of fracture toughness of thin-film amorphous silicon using spiral crack structures
我们用液相聚硅烷沉积法在玻璃衬底上制备了非晶硅薄膜。拉曼散射提供了证据，在硅中的残余拉伸应力，这是定量评估。在氢氟酸处理下，这种应力导致硅中的螺旋裂纹。我们解释了裂纹形成的过程，并研究这一现象的分析和数值，后者与有限元法（FEM）。根据Griffith准则，有限元法给出了螺旋裂纹的几何修正系数。这使得首次可以确定非晶硅的断裂韧性，与晶体硅相比，其断裂韧性大大增强。
2019-08-18 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Fracture Diodes: Directional asymmetry of fracture toughness
韧性描述了材料抵抗断裂或裂纹扩展的能力。这里证明了材料的断裂韧性可以是不对称的，即，介质对从右向左传播的裂纹的阻力可以显著不同于对从左向右传播的裂纹的阻力。这种不对称性在天然材料中是未知的，但我们表明，它可以通过适当的控制微观结构构建到人造材料中。这为控制裂纹路径和方向铺平了道路，在不可避免的情况下，可以通过预先设计的路径引导断裂，以最大限度地减少关键部件的损失。
2021-10-09 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
