Topological defects govern crack front motion and facet formation on broken surfaces
破碎表面上的图案是众所周知的，从日常经验，但令人惊讶的是，他们如何以及为什么形成是非常开放的问题。定义明确的刻面通常沿断裂面延伸1 -4，这些刻面由缓慢拉伸裂纹产生。由于小平面出现在非晶材料5 -7中，它们的形成并不反映微观秩序。然而，断裂力学预测，缓慢裂纹前缘应该是直的，形成镜面状表面8 -13。相反，刻面形成的前线传播同时在不同的平面内分离的步骤。因此，目前还不清楚为什么台阶是稳定的，是什么决定了它们的路径以及它们如何耦合到裂纹前缘动力学。在这里，我们表明，通过集成实时成像的传播裂纹前沿与表面测量，步骤是裂纹前沿的拓扑缺陷;裂纹前沿分离成不连续的重叠段提供了步骤稳定的条件。台阶以恒定的角度漂移到局部前传播方向，并且由于台阶形成而增加的局部耗散耦合到周围裂纹前沿的长程变形。缓慢的裂纹前沿动态受制于步高和位置的变化。这些观察显示了3D拓扑如何耦合到2D断裂动力学，以提供图案化表面如何生成的基本图像。
2017-08-06 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft nlin.PS
Crack front dynamics: the interplay of singular geometry and crack instabilities
当快速裂纹变得不稳定的微观分支（微分支），断裂不再发生在一个有效的二维介质。我们通过实时测量脆性凝胶中微分支的展开和进展来跟踪面内裂纹前缘动力学。我们首先表明，{ \em空间局部}能量平衡定量描述裂纹动态，即使平移不变性是严重破坏。此外，我们的研究结果解释了微分支动力学;为什么微分支沿空间局部化链形成，以及沿裂纹前缘尖点的有限时间形成如何导致它们的死亡。
2015-05-16 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft nlin.PS
Fractographic aspects of crack branching instability using a phase field model
本文用三维脆性材料中裂纹前缘扩展的相场模型研究了分叉失稳引起的断口形貌。该模型的数值结果产生的裂纹表面是类似于在各种实验情况下获得的。根据所施加的载荷配置和初始条件，我们表明，分支不稳定性是限制在一部分的裂纹前缘或揭示通过准二维分支。对于前者，裂纹前缘在主断口上留下排列整齐或杂乱的抛物线痕迹。对于后者，断口分析揭示了所谓的{ \em échelons}裂纹，表明分支不稳定性也可以诱导裂纹前缘破碎。
2014-01-08 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Nonlinear focusing in dynamic crack fronts and the micro-branching transition
脆性材料中的裂纹产生两种类型的通用表面结构：低速时的小平面和高速时的微分支。在这里，我们观察到一个过渡，从小平面微支化的聚丙烯酰胺凝胶，其特征在于由非线性动态局部化的裂纹前沿。为了更好地理解这一过程，我们推导出第一性原理的非线性运动方程的裂纹前缘的标量弹性的背景下。它的解决方案表明，非线性聚焦耦合率依赖性的耗散支配过渡到微分支。
2017-10-16 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft nlin.PS
A comprehensive study of nonlinear perturbations in the dynamics of planar crack fronts
针对异质材料中裂纹前沿大幅局部扰动引发的非线性效应，本文发展了平面裂纹前沿渐近场的二阶微扰理论，分别求解了Mode III和Mode I断裂模型下的弹性场，并给出了直裂纹前沿局部动态能量释放率的显式二阶表达式。
2025-09-16 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.geo-ph
Depinning dynamics of crack fronts
本文从实验和理论上研究了非均质材料在两个连续平衡位置之间发生微失稳时裂纹前缘的动力学行为。我们特别关注的时空演变的前面，因为它放松到一个直的配置，从一个单一的障碍物的控制强度和大小后脱钉。我们发现，这种脱钉动力学是不受惯性，而是由速率依赖性的耗散机制发生在断裂过程区。这意味着，裂纹速度波动的平均值$v_m$附近，可以预测从过阻尼运动方程$(v-v_m)/v_0 = (G-G_c(v_m))/G_c(v_m)$涉及的特征材料速度$v_0 = G_c(v_m)/G_c'(v_m)$，出现从断裂能与裂纹速度的变化。我们的研究结果铺平了道路，无序固体中的裂纹的临界脱钉动力学的定量描述和开辟了新的视角，预测的有效失效性能的异质材料。
2018-07-30 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Finite size effects on crack front pinning at heterogeneous planar interfaces: Experimental, finite elements and perturbation approaches
理解材料的微观结构对其宏观失效特性所起的作用是固体力学中的一个重要挑战。事实上，当裂纹在非均匀脆性界面处传播时，前缘被更坚韧的区域捕获并变形。这种钉扎引起裂纹扩展问题的非线性，甚至在线性弹性断裂力学理论中，并修改材料的整体失效特性。例如，通过更坚固的地方钉扎裂纹前端可以增加多层结构的抗断裂性，具有有趣的技术应用。解析摄动方法，基于Bueckner-Rice弹性线模型，专注于裂纹前端扰动，因此允许这些现象的描述。在这里，他们被施加到一个简单的韧性模式的纯界面裂纹的传播调查实验：一个单一的缺陷带均匀的界面包围。我们表明，考虑到有限的身体尺寸，定量协议与实验和有限元结果。特别地，该方法允许预测韧性对比度，即单个缺陷带与其均匀周围介质之间的韧性差异。这开辟了一条道路，更准确地使用微扰方法来研究更无序的异质材料，其中有限元方法是不够的。从我们的研究结果，我们还提出了一个简单的方法来确定强硬的界面的粘附能通过测量已知的界面图案引起的裂纹前端变形。
2015-11-06 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Onset of Propagation of Planar Cracks in Heterogeneous Media
本文用解析法和数值模拟法研究了非均匀介质中裂纹运动临界载荷附近平面裂纹前缘的动力学行为。固体的弹性导致沿裂纹前缘的长距离应力传递，由于介质中的弹性波，该应力传递在时间上是非单调的。在瞬时应力转移的准静态极限下，裂纹前缘呈现动态临界现象，当外加载荷通过临界值增加时，裂纹前缘呈现从钉扎阶段到运动阶段的二阶过渡。在临界状态下，裂纹前缘是自仿射的，粗糙度指数为$ζ=0.34\pm 0.02$。发现动态指数$z$等于$ 0.74\pm 0.03$和相关长度指数$ν=1.52\pm 0.02$。这些结果是在很好的协议，从一个扩展。应力传递中的声传播时间延迟不改变静态指数，但动态指数$z$恰好变为1。然而，当裂纹前缘的一部分向前移动时，真实弹性波会导致应力超过其最终静态值。这些应力过冲的简化模型被用来表明，过冲是相关的脱钉过渡导致临界载荷的降低和明显的跳跃的速度直接到一个非零值的裂纹前缘。在有限系统中，速度也表现出滞后行为作为负载的函数。这些结果表明，一阶像过渡。真正的拉伸裂纹的可能影响进行了讨论。
1997-12-16 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft
Fractal frontiers of bursts and cracks in a fiber bundle model of creep rupture
本文研究了非均匀材料蠕变断裂过程中产生的破裂波的几何结构。基于局部负载分担的纤维束模型，我们表明，爆发是紧凑的几何对象，然而，其外部边界具有分形结构，反映了它们的增长动力学。的周长分形维数的突发被证明具有独立的外部负载和系统中的无序量的普遍值1.25。我们推测，根据他们的几何特征打破突发落在普适类的循环擦除自避免随机游动周长分形维数5/4类似的阿贝尔沙堆模型的雪崩。随着破裂逐渐覆盖整个前缘，破裂发生的裂纹前缘的分形维数从1增加到1.25。
2015-12-03 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft
Spiral cracks in drying precipitates
我们调查的螺旋裂纹图案的形成过程中，与基板接触的沉淀物薄层干燥。发现这种非线性断裂断裂模式自然不是由扭转力引起的，而是由碎片折叠引起的应力前沿传播引起的。我们模拟其形成机制，使用粗晶粒模型破碎，并成功地再现了螺旋裂纹。实验和模拟数据的拟合表明，螺旋线是对数的，对应于恒定偏离圆形裂纹路径。特别是，我们表明，这通常发生时，裂纹的速度是成正比的应力前沿的传播速度。
2002-01-16 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Size selection of crack front defects: Multiple fracture-plane interactions and intrinsic lengthscales
本文通过脆性水凝胶实验研究三维裂纹中台阶缺陷的尺寸选择，发现稳定化距离 h_max 随非线性弹性长度 Γ(v)/μ 和耗散长度 ξ 线性变化，为理解多重断裂面相互作用及离面断裂结构形成提供了内禀长度尺度依据。
2024-04-09 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft nlin.PS
Configurational stability of a crack propagating in a material with mode-dependent fracture energy - Part I: Mixed-mode I+III
在先前的论文（Leblond等人，2011），我们提出了一个理论解释的实验众所周知的不稳定性的共面裂纹扩展模式I+III。这种解释依赖于稳定性分析，该分析基于Gao和Rice（1986）以及Movchan等人（1998）提出的裂纹应力强度因子的解析表达式，该应力强度因子在其原始平面内外均受到轻微扰动，再加上结合Griffith能量条件和局部对称性原理的双扩展准则。在这样的假设下，不稳定模式确实证明了模式III的模式混合比的值，模式I应力强度因子应用远程大于一些阈值，仅取决于泊松比。不幸的是，预测的阈值远大于通常观察到的典型值的这种材料参数。虽然已经提出了从共面到碎片前沿的非线性分叉的亚临界特征作为这种差异的可能解释（Chen等人，2015），我们在这里提出了一个替代的解释的基础上引入的断裂能和模式混合比之间的本构关系，这是由实验观察的动机。通过重新研究的线性稳定性分析的平面传播前，我们表明，这样的关系是足够的，只要它是足够强大的，显着降低阈值的模式混合比不稳定，使它在一个范围内更符合实验。在裂纹面和前缘扰动服从局部对称性原理并达到定常状态的特殊情况下，还导出了扰动应力强度因子和能量释放率的分布公式。
2018-12-14 cond-mat.soft
The dynamics of crack front waves in 3D material failure
本研究在含速率相关断裂能的3D相场框架下探究裂纹前沿波动力学，揭示面内波的弱时间依赖、孤子式相互作用及非线性区低速特性，阐明面外分量的衰减与反平面载荷下的持续耦合效应。
2023-06-30 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft nlin.PS
The emergence of crack-like behavior of frictional rupture: Edge singularity and energy balance
摩擦界面的失效--摩擦破裂的过程--被广泛认为具有类似裂纹的特性，对从工程摩擦学到地震物理学的各个学科都有深远的影响。出现类似裂纹行为的一个重要条件是摩擦断裂中应力降的存在，其基本的物理起源最近已被阐明。在这里，我们表明，通用和现实的摩擦本构关系，一旦出现一个有效的裂纹样行为的必要条件得到满足，摩擦断裂动力学近似描述的裂纹样，断裂力学能量平衡方程。这是通过独立地计算裂纹状奇点的强度以及进入破裂边缘区域的相关弹性能通量和边缘区域的摩擦耗散来实现的。我们进一步表明，虽然断裂力学能量平衡方程提供了一个近似的，但定量的摩擦断裂动力学的描述，有趣的偏离普通裂纹状框架-与非边缘局部耗散-存在。结合最近关于摩擦破裂中应力降出现的研究结果，对摩擦破裂为什么、如何以及在多大程度上可以被看作是一个普通的破裂过程提供了一个全面和基本的理解。各种影响进行了讨论。
2019-11-20 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.geo-ph
Crack Path Prediction in Anisotropic Brittle Materials
一个力平衡条件来预测准静态裂纹路径的各向异性脆性材料来自扩散界面连续模型，描述了一个微观过程区和宏观线性弹性内的短尺度故障的分析。推导利用这类模型的梯度动力学和平移对称性来定义一个广义的能量-动量张量，其积分围绕一个任意封闭的路径包围裂纹尖端产生所有的力作用在这个尖端上，包括Eshelby的配置力，cohesion内聚力和耗散力。数值模拟定量验证了这一条件。
2004-12-31 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Configurational stability of a crack propagating in a material with mode-dependent fracture energy -- Part II: Drift of fracture facets in mixed-mode I+II+III
在早期的论文中（Leblond等人，2011，2019），我们提出了在混合模式I+III加载的裂纹的共面扩展的线性稳定性分析，基于结合Griffith（1920）的能量条件和Goldstein和Salganik（1974）的局部对称性原理的“双”扩展准则。这两篇论文之间的区别在于，在最近的一篇论文中，临界能量释放率的局部值不再被认为是常数，而是示意性地允许依赖于局部模式III与模式I应力强度因子的比率。这导致了一个大大改善，定性可接受的协议的理论和实验，为“阈值”的比值的未扰动模式III的模式I应力强度因子，以上的共面传播变得不稳定。在本文中，分析扩展到的情况下，一个小的额外的模式II加载组件是存在于裂纹的初始平面配置，产生一个小的，一般的扭结，这个裂纹的时刻，它被应用。这种加载分量的存在所产生的主要新效应是，在阈值以上存在的不稳定模式在其传播期间必须沿着裂纹前缘漂移。这一预测可能是有用的，为未来的理论解释的一些实验中，这样的漂移运动确实被观察到。
2019-09-20 cond-mat.soft
Unconventional singularities, scale separation and energy balance in frictional rupture
理解摩擦破裂（如沿地质断层发生的地震）的普遍框架与普通裂缝相似。普通裂纹的一个显著特征是其近边场具有平方根奇异性，这与存在严格的耗散相关的长度尺度分离和边缘局部能量平衡密切相关。然而，在摩擦破裂的奇异性顺序，长度尺度分离和边缘局部化的能量平衡之间的相互关系还没有完全理解，即使在传统的平方根奇异性仍然近似有效的物理情况下。在这里，我们开发了一个宏观理论，表明通用的速率依赖性摩擦导致偏离传统的奇点，即使这种偏差是小的，显着的非边缘局部破裂相关的耗散出现。后者的物理起源，这是预测消失相同的裂纹类比，是规模分离的崩溃，导致累积的空间扩展耗散，涉及宏观尺度。非边缘局部破裂相关的耗散也被预测为位置相关的。理论预测定量支持现有的数值结果，并讨论了它们可能的影响地震物理。
2021-03-15 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.geo-ph
Damage mechanisms in the dynamic fracture of nominally brittle polymers
线弹性断裂力学（LEFM）提供了一个一致的框架来定量评估释放到扩展裂纹尖端的能量通量。尽管如此，裂纹选择速度以响应这种能量通量的方式仍然远未完全理解。为了揭示潜在的机制，我们实验研究了聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的动态失效过程中发展的损伤和耗散过程，传统上被认为是脆性非晶材料的原型。我们证明了一个定义明确的临界速度沿故障切换名义脆性准脆性，裂纹扩展的手与微裂纹的成核和生长。通过对断裂表面的事后分析，我们能够以微米/纳秒分辨率重建完整的时空微裂纹动力学。我们证明了单个裂纹前沿的真实局部扩展速度被限制在一个相当低的值，这可以比在连续水平尺度上测量的表观速度小得多。通过与主锋的结合，微裂纹通过几何原点的加速因子提高宏观速度。我们讨论的关键作用，损伤相关的内部变量在宏观断裂动力学的选择。
2013-04-23 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
How Material Heterogeneity Creates Rough Fractures
断裂是材料磨损、弱化和失效的关键过程，其不可预测的行为可能会产生可怕的后果。虽然理想材料中光滑裂纹的行为已经很好地理解，但假设对于真实的非均质系统，断裂传播是复杂的，产生对介质的特定细节高度敏感的粗糙断裂表面。在这里，我们展示了如何通过一个简单的框架裂缝粗糙度和材料的异质性是密不可分的。研究水力压裂脆性水凝胶已补充微珠或甘油，以创建受控的材料异质性，我们表明，裂纹表面的形态仅取决于一个参数：扰动前面的概率超过临界尺寸，产生一个台阶状的不稳定。该概率与数量密度成线性比例，并作为异质性大小与$5/2$幂成线性比例。随后的行为是普遍的，并捕获的一维弹道传播和湮灭的步骤沿奇异的断裂前。
2022-06-20 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
