Breakdown of Reye's theory in nanoscale wear
基于韧性断裂力学的类比，我们量化了粘着磨损过程中产生的碎片颗粒的大小。早期的工作提出了切向功和磨屑体积之间的线性关系，假设磨屑尺寸与微接触尺寸乘以接合处剪切强度成正比。然而，本研究显示偏离线性。这些偏差可以用断裂力学来解释，这意味着产生碎片所需的工作比假设的要少。在这里，我们假设，所需的工作，以分离磨损颗粒是由表面能消耗，以创建新的断裂表面，也是一个给定宽度的断裂过程区域内的塑性工作的裂纹。我们的理论模型，通过分子动力学模拟验证，揭示了超线性的碎片体积（$V_d$）和切向功（$W_t$）之间的比例关系：$V_d \sim W_t^{3/2}$在3D和$V_d \sim W_t^{2}$在2D。该研究为估算粘着磨损过程中微粒排放的统计分布提供了理论依据。
2023-02-05 cond-mat.mtrl-sci
Nanofibril-mediated Fracture Resistance of Bone
天然硬质复合材料（如人骨）具有超过其成分和许多工程复合材料的强度和韧性。这种增强归因于它们复杂的层次结构，跨越多个长度尺度;在骨中，特征尺寸范围从纳米级原纤维到微米级骨片到中尺度骨单位和宏观尺度器官。已经研究了骨的机械性能，理解到与整个组织相比，微米和纳米尺度的孤立微结构产生了更好的强度，并且组织相对于其纳米级成分具有放大的韧性。由于在小尺寸样品上进行断裂实验的挑战，在允许隔离显著微观结构特征的样品尺寸下，骨的纳米级增韧机制尚未得到充分理解。我们开发了一种原位三点弯曲实验方法，该方法可以探测硬质材料的微米级试样的特定部位断裂行为。利用这一点，我们量化裂纹萌生和增长韧性的人骨小梁尖锐的疲劳预裂纹和钝缺口。我们的研究结果表明，具有疲劳裂纹的骨的韧性是具有钝性裂纹的骨的两倍。原位数据相关的电子显微镜视频显示，这种行为是由纳米纤维结构的裂纹桥接。结果表明，纤维桥接（~1 $μ$ m）和裂纹偏转/扭转（~500 $μ$ m）之间的过渡作为长度尺度的函数，并定量地证明了复杂材料中的层次诱导增韧。这种通用的方法能够量化各种复杂材料系统中韧性和微观结构之间的关系，并为设计仿生复合材料提供直接的见解。
2020-08-23 cond-mat.mtrl-sci
'Guided' Fractures in Graphene Mechanical Diode-like Structures
二极管的概念通常应用于电子和热设备，但很少用于机械设备。最近提出的三角形空隙缺陷的聚合物基结构中的断裂整流效应促使我们使用石墨烯膜在纳米级上测试这些想法。使用全原子反应分子动力学模拟，我们表明，强大的整流样效果存在。断裂可以被“引导”成沿一个特定方向比沿其相反方向更容易扩展。我们还观察到，存在一个最佳值的间距之间的每个空隙的整流效果。
2022-03-03 cond-mat.mtrl-sci
Fracture of glassy materials as detected by real-time Atomic Force Microscopy (AFM) experiments
我们已经研究了不同的玻璃材料的低速断裂制度与可变的，但控制的长度尺度的异质性在一个精心掌握的周围气氛。通过使用光学和原子力（AFM）显微镜技术，我们在很宽的速度范围内（1 mm/s和0.1 nm/s及以下）在纳米尺度上实时跟踪裂纹尖端的传播。的不均匀性对这个速度的影响，提出和讨论。我们的实验还揭示了-第一次-裂纹前进的收益，通过成核，生长和合并的纳米损伤空腔内的非晶相，产生大的速度波动。这种纳米韧性断裂模式在玻璃中的存在的影响进行了讨论。
2002-07-24 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Micro-branching in mode-I fracture in a randomly perturbed lattice
我们研究了具有噪声键的晶格中的I型断裂。与以前的尝试相比，通过使用一个小参数，在完美的晶格中的原子之间的力定律和使用三体力定律的扰动，模拟再现的定性行为的超稳态裂纹在高速政权，包括合理的微分支。就诸如结构因子$g(r)$、径向或角分布的物理性质而言，这些晶格共享完美晶格的物理性质，而不是非晶材料的物理性质（例如，连续随机网络模型）。可以看到一个明确的过渡之间的稳定状态的裂纹，其中一个单一的裂纹在中线的样品和政权的不稳定裂纹，其中微分支开始出现在主裂纹附近，与以前的实验结果。这在蜂窝晶格和完全六边形晶格中都可以看到。该模型再现了脆性材料中裂纹扩展的主要物理特征，包括速度作为驱动位移的函数的行为和电阻振荡幅度的增加。此外，可以看到微分支形状的幂律行为的初步迹象，潜在地再现脆性断裂的最有趣的实验结果之一。
2013-01-10 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Nanoscale Origins of the Damage Tolerance of the High-Entropy Alloy CrMnFeCoNi
损伤容限可能是需要高强度和高延展性的结构材料的难以捉摸的特性，这些特性通常是相互排斥的。在这方面，高熵合金很有意义。具体地，单相CrMnFeCoNi合金显示出约lGPa的拉伸强度水平、优异的延展性（约60-70%）和优异的断裂韧性（KJlc> 200 MPa/m2）。在这里，通过使用原位应变像差校正的透射电子显微镜，我们报告的显着原子到微观尺度的机制，这些属性的起源。我们确定了多种变形机制的协同作用，很少实现在金属合金，产生高强度，加工硬化和延展性，包括容易运动的肖克利偏，他们的相互作用，形成堆垛层错平行六面体，并逮捕在平面滑移带未解离位错。我们进一步表明，裂纹扩展是阻碍了孪生，纳米级的桥梁，形成之间的近端裂纹面和延迟断裂屏蔽裂纹尖端。
2015-12-11 cond-mat.mtrl-sci
Nano-Ductility in Silicate Glasses is Driven by Topological Heterogeneity
硅酸盐玻璃断裂过程中是否存在纳米级延展性仍存在争议。在这里，基于分子动力学模拟加上拓扑约束理论，我们表明，纳米延展性来自原子网络的刚性的空间异质性。具体来说，我们报告说，玻璃约束不足区域中的局部松软变形模式使网络能够发生塑性形变，从而导致粘合配置发生永久变化。最终，这些异质塑性事件渗透，从而导致非脆性断裂模式。这表明纳米延展性是具有纳米级异质性的多组分硅酸盐玻璃所固有的。
2015-10-26 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci
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
Fracture of silicate glasses: Micro-cavities and correlations between atomic-level properties
我们使用大规模的模拟研究单轴拉伸下的二氧化硅和钠硅酸盐玻璃的动态断裂。应力-应变曲线表明石英玻璃是脆性的，而富含Na的玻璃显示出显著的延展性。在裂纹速度中也看到强烈的组成依赖性，其对于具有低Na浓度的玻璃为1800 m/s的量级，并且如果浓度高则降低至700 m/s。我们发现，在富钠玻璃的断裂过程中，在裂纹前缘之前形成了3-4 nm大的非常不规则的空腔，表明这些玻璃中存在纳米延展性。在断裂发生之前，局部成分、结构和力学性能在空间上是不均匀的，并且表现出对施加的应变的强烈依赖性。进一步分析这些局部性质之间的相关性，可以获得更好的微观理解的变形和断裂的玻璃，以及如何局部加热接近裂纹尖端，高达几百度，允许结构放松。
2022-05-05 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Fracture toughness of calcium-silicate-hydrate grains from molecular dynamics simulations
水泥是世界上使用最广泛的制造材料，提高其韧性将允许设计细长的基础设施，需要更少的材料。为此，我们通过分子动力学模拟研究了水泥的粘结相--水化硅酸钙（C-S-H）的断裂。我们首次报告了C-S-H颗粒的断裂韧性、临界能量释放率和表面能的值。这使我们能够在原子尺度上讨论材料的脆性。我们表明，在这个尺度上，C-S-H断裂的韧性的方式，防止使用基于线弹性断裂力学的方法。在纳米级的C-S-H断裂性能的知识开辟了一个升级的方法来设计更强硬的水泥的方式。
2014-10-10 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci
Glass breaks like metals, but at the nanometer scale
我们报告原位原子力显微镜实验，揭示了存在的纳米级损伤腔的应力腐蚀裂纹尖端在玻璃。它们的存在可以解释偏离线性弹性观察到的裂纹尖端附近的玻璃。这种韧性断裂机制，广泛观察到的金属材料的情况下，在微米尺度，也可能是在起源的玻璃和金属合金的断裂表面的形态在不同的长度尺度的惊人的相似性。
2003-01-13 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Damage accumulation in quasi-brittle fracture
准脆性材料的强度取决于样品内部缺陷的整体以及破坏前损伤累积的方式。使用大规模的随机熔合模型的数值模拟，我们调查的微裂纹分布的演变，直接关系到强度分布和尺寸效应。我们发现，扩大的分布尾部起源于在每个样品中占主导地位的微裂纹，并与裂纹合并的趋势，随着系统的大小增加。我们研究观察到的行为如何取决于样品中存在的障碍。
2013-08-12 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Fracture initiation in multi-phase materials: a statistical characterization of microstructural damage sites
了解微观结构对多相材料失效机制的影响需要确定最坏的情况。这需要一种统计方法。通过直接基于显微照片进行模拟，这种方法变得可行。这里应用该方法提取损伤部位周围的平均微观结构。
2016-12-05 cond-mat.mtrl-sci
Microstructural modeling of ductile fracture initiation in multi-phase materials
多相材料失效的精确机制可能强烈依赖于材料的微观结构形态。微观力学建模提供了很多洞察这种依赖性，但不确定性仍然是关键的建模假设。本文评估了不同的晶粒形状，损伤指标和应力状态的影响，使用结构化的数值模型。一个独特的空间排列的阶段周围的断裂事件被发现，在剪切方向上的软区中断的拉伸方向上的硬区组成。这些关键特征对所研究的变化仅轻度敏感。
2016-04-13 cond-mat.mtrl-sci
Scaling of Fracture Strength in Disordered Quasi-Brittle Materials
本文提出了两个主要结果。第一个结果表明，在广泛分布的微观不均匀性的材料中，对应于材料响应的峰值载荷的断裂强度分布不遵循常用的Weibull和（修改后的）Gumbel分布。相反，{ \it对数正态}分布更充分地描述了响应峰值载荷对应的断裂强度。对数正态分布是由于大量随机分布的乘法性质而自然产生的，这些随机分布代表破坏随后的“主”粘结所需的应力比例因子（根据定义，破坏“主”粘结需要增加施加的应力），导致峰值载荷。基于二维三角形和菱形晶格拓扑结构的数值模拟随着系统尺寸的增加证实了{ \it对数正态}分布代表了峰值载荷下断裂强度分布的极好拟合。本研究的第二个重要结果是，在具有广泛分布的微观不均匀性的材料中，晶格系统的平均断裂强度表现为$μ_f = \frac{μ_f^\star}{(Log L)^ψ} + \frac{c}{L}$，并且随着晶格系统尺寸$L$接近无穷大而缩放为$μ_f \approx \frac{1}{(Log L)^ψ}$。
2005-03-30 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Fracture energy of 6H-SiC at the microscale: effects of testing geometry and notch preparation
Imperial College London（帝国理工学院）；University of Oxford（牛津大学）；The Zero Institute（零研究所）
通过微米级双悬臂梁和单悬臂梁测试，研究了6H-SiC {10-10}面的断裂能，发现Ga离子注入和残余应力导致SCB测量值偏高，真空退火可消除差异。
2026-07-20 cond-mat.mtrl-sci
Thermal effects on fracture and brittle-to-ductile transition
脆性和韧性材料的断裂行为会受到热波动的强烈影响，特别是在微米和纳米器件以及橡胶和生物材料中。然而，温度的影响，特别是脆韧性转变，仍然需要更深入的理论研究。作为在这个方向上的一步，我们提出了一个理论，平衡统计力学的基础上，能够描述的温度依赖性脆性断裂和脆韧性转变的原型离散系统组成的晶格与易断元素。关于脆性行为，我们得到了封闭形式的表达式的温度依赖性断裂应力和应变，代表广义格里菲斯标准，最终描述了真正的相变的断裂。关于脆韧性转变，我们得到了一个复杂的临界情景，其特征在于由两个断裂制度（脆性和韧性）之间的阈值温度，上限和下限屈服强度，和对应于完全击穿的临界温度。为了证明所提出的模型在小尺度下描述热断裂行为的有效性，我们成功地将我们的理论结果与Si和GAN纳米线的分子动力学模拟进行了比较。
2023-02-21 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Oscillations in Rapid Fracture
脆性凝胶的纯拉伸断裂实验揭示了一种新的动态振荡不稳定性，其发生在临界速度Vc = 0.87 Cs，其中Cs是剪切波速度。直到Vc裂纹动力学很好地描述了线弹性断裂力学（LEFM）。这些极限速度是通过抑制微分支不稳定性而获得的，微分支不稳定性发生在样品厚度与最小微分支宽度相当时。这些正弦振荡的波长是独立的样品尺寸，从而表明存在一个新的内在尺度是无关的LEFM。
2006-09-12 cond-mat.mtrl-sci
Non-universality in Micro-branching Instabilities in Rapid Fracture: the Role of Material Properties
尽管在不同的脆性材料中的微分支不稳定性的明显相似性，我们建议，物理确定的典型的长度和时间尺度特征的后不稳定模式的材料有很大的不同。我们提供了一个缩放理论连接的图案特性的材料特性（如分子量）在脆性塑料，如PMMA，并强调与图案的玻璃是至关重要的三维动力学的影响的根本差异。在这两种情况下，目前的从头算理论模型仍然离现实太远，忽略了一些基本的物理现象。
2005-04-18 cond-mat.mtrl-sci
Phase field fracture predictions of microscopic bridging behaviour of composite materials
研究了微观结构桥接对复合材料断裂韧性的影响。为了实现这一目标，提出了一个新的计算框架，集成相场断裂和内聚区模型来模拟纤维断裂，基体开裂和纤维基体脱粘。复合材料的微观结构是由一个嵌入式单元在裂纹尖端附近，而其余的样品被建模为各向异性弹性固体。该模型首先验证单缺口三点弯曲试验的横向基体开裂的实验数据。然后，该模型被扩展到预测晶粒桥接，砖和砂浆微观结构和三维纤维桥接的裂纹扩展阻力的影响。结果表明，这些微结构是非常有效的，通过提高纤维基体脱粘，纤维断裂和裂纹偏转断裂韧性。特别是，3D纤维桥接效应可以增加超过三个数量级，相对于散装矩阵的故障时耗散的能量，远远超过从混合物的规则获得的预测。这些结果揭示了微观桥接机制，并提供了一个虚拟的工具，开发高断裂韧性复合材料。
2022-01-09 cond-mat.mtrl-sci cs.CE physics.app-ph
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
Fracture initiation in multi-phase materials: a systematic three-dimensional approach using a FFT-based solver
本文研究了一种两相材料，其显微组织由硬脆增强相嵌入软韧性基体中组成。它解决了微观结构和宏观变形的全三维性质。使用大量的周期性微结构，从而使用等尺寸的立方体对两相的单个晶粒进行建模。采用了一种基于快速傅立叶变换的特殊求解策略，该策略在速度和内存占用方面都具有很高的计算效率，从而能够进行统计上有意义的分析。这种求解方法自然伴随着规则的微观结构模型，因为快速傅立叶变换依赖于规则的网格。使用许多被认为是微观结构作为一个整体，断裂起始点周围的相的平均排列是客观地确定的微观结构和断裂起始之间的相关性-在三维。结果表明，断裂起始于硬相区域被与最大剪切方向对齐的软相带中断的地方。在这样的区域中，硬相被布置成使得垂直于主应变方向的相边界的面积最大，从而导致高静水拉伸应力，同时不中断在软相中形成的剪切带。剪切带周围存在的局部不相容性是高塑性应变的原因。通过将响应与二维微观结构进行比较，观察到响应在性质上相似（宏观和微观）。一个重要的区别是，两个阶段之间的局部应变分配是过度预测的二维微观结构，导致损伤的高估。
2016-04-13 cond-mat.mtrl-sci
Dynamic Fracture Model for Acoustic Emission
我们研究了声发射产生的微裂纹使用一个二维无序晶格模型的动态断裂，它允许与样品的内部损伤的声学响应。我们发现，声能爆发的分布衰减的幂律与实验观察。在本动态模型中测得的标度指数可以与准静态随机引信模型中测得的标度指数相关联。
2002-07-17 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
A thermodynamical fiber bundle model for the fracture of disordered materials
我们研究了几年前由Selinger，Wang，Gelbart和Ben-Shaul提出的热力学纤维束模型的无序版本。对于简单形式的无序，该模型是易于分析的，并显示出一些新的功能。在恒定应力或恒定应变下，断裂纤维的分数作为温度的函数非单调增加。此外，一些宏观量的相同值，如应力和应变，可能对应于不同的微观构型，这可能是必要的，以确定热激活时间的裂缝。我们认为，不同的微观状态的特点可能是实验上可访问的模拟爱德华-安德森参数。在零温度下，我们恢复了不可逆纤维束模型的行为。
2006-11-28 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Matrix-free phase-field modeling of fracture in micromechanical testing simulations of inelastic materials
University of Colorado at Boulder（科罗拉多大学博尔德分校）
研究非弹性材料微观力学测试模拟中裂缝的无矩阵相场建模，通过在开源库中实现特定本构框架，引入流变断裂单元，利用GPU进行高阶有限元计算，对合成微观结构模拟，再现了非弹性响应和裂纹扩展模式。
2026-10-22 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.comp-ph
A micromechanics-based variational phase-field model for fracture in geomaterials with brittle-tensile and compressive-ductile behavior
本文提出了一个框架，模拟在不同的加载条件下，准脆性岩土材料的破坏。提出了一种基于微观力学的模型，其中场变量与微裂纹水平的物理机制相关联：损伤与微裂纹的生长有关，而塑性与闭合微裂纹的摩擦滑动有关。因此，进入自由能的硬化/软化函数和参数遵循单一退化函数和弹性材料性质的定义。拉伸条件下，张开型微裂纹演化为脆性行为和I型断裂;压缩/剪切条件下，摩擦滑动条件下闭合型微裂纹演化为韧性行为和II型断裂。摩擦滑动被赋予了非结合律，这是模型的一个重要方面，它考虑了膨胀的影响，并允许具有非零摩擦能量耗散的真实材料响应。尽管非结合律，一个变分一致的制定提出了使用能量平衡和稳定性的概念，以下的率无关系统的能量制定。首先描述了模型的材料响应，其次是数值实现过程和几个基准有限元模拟。结果强调了该模型描述拉伸、剪切和混合模式断裂以及脆韧性转变响应的能力。一个关键的结果是，凭借的微观力学参数，现实的故障模式可以被捕获，而不诉诸通常的启发式修改相场文献中考虑。参考以前的数值研究，实验证据和分析断裂准则的数值结果进行了深入的讨论。
2021-11-11 cond-mat.mtrl-sci cs.NA math.NA
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
From plastic flow to brittle fracture: role of microscopic friction in amorphous solids
软质无定形材料的塑性通常涉及在强烈剪切时出现的集体变形模式。无定形塑性的微观基础通常是通过“Eshelby”型事件的概念建立的，Eshelby型事件是通过非局部弹性型相互作用在周围材料中诱导流动的局部突然重排。尽管无序固体在尺度、微观成分或相互作用方面存在差异，但这种流动的普遍机制已经被提出。然而，我们认为，颗粒状固体中的摩擦相互作用的存在下，通过成核微剪切裂纹，不断聚结建立系统的跨越类地层故障的方法改变了流动的动力学。塑性到脆性的失效转变是唯一控制的程度的摩擦阻力，这是在本质上类似的作用，分离的突然和光滑的屈服制度在玻璃结构中的异质性。
2018-10-17 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other cond-mat.soft
Understanding Mechanical Properties and Failure Mechanism of Germanium-Silicon Alloy at Nanoscale
采用分子动力学（MD）模拟方法研究了立方锌锗（ZB）Si 0. 5 Ge 0. 5合金纳米线（NW）的力学性能。采用Tersoff势来阐明纳米线尺寸、晶体取向和温度对材料性质的影响。我们发现，在横截面积的减少导致在较低的极限拉伸强度和杨氏模量的这种合金，这可以归因于增加的表面积与体积比。[111]取向的Si 0.5Ge 0.5 NW具有最高的断裂强度，但[110]取向具有最高的断裂韧性。温度的影响与极限拉伸强度和杨氏模量成反比关系。温度的升高促进了材料的失效，从而降低了材料的强度。研究表明，通过去除Si或Ge原子引入的空位缺陷表现出相似的行为，并且随着空位浓度的增加，拉伸强度和杨氏模量均呈线性下降。我们进一步说明了在两个极低和极高的温度下的Si 0.5Ge 0.5 NW的故障特性。发现Si_（0.5）Ge_（0.5）合金的本征失效特征对温度不敏感。有趣的是，在这两种温度下，随着应变的增加，Si0.5Ge0.5的横截面最终类似于在韧性材料中通常观察到的颈部，尽管NW失效本质上是脆性的。总体而言，这项工作为了解ZB Si0.5Ge0.5 NW的材料性能和失效特征提供了新的视角，这将成为设计硅锗基纳米器件的指南。
2020-04-27 cond-mat.mtrl-sci
Columnar grain boundaries are the weakest link in hard coatings: Insights from micro-cantilever testing with bridge notches
该研究通过桥缺口微悬臂梁测试证明柱状晶界显著降低硬质涂层断裂韧性，并指出未来优化应聚焦晶界增韧。
2024-11-19 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Current challenges for preseismic electromagnetic emissions: shedding light from micro-scale plastic flow, granular packings, phase transitions and self-affinity notion of fracture process
是否有可靠的电磁（EM）EQ前兆？这是科学界争论的一个问题，批评的观点可能有合理的理由。关于EM前兆存在的负面观点被伴随其观察的特征所增强，这些特征被认为是悖论，即这些信号：（i）在EQs发生时和余震期间没有观测到，（ii）没有伴随大的地震应变变化，㈢没有同步的大地测量或地震前兆，㈤其可追踪性被认为是有问题的。在这项工作中，检测到的候选人EM前体的研究，通过在思想上的转变，相对于颗粒填料，微米尺度的塑性流动，界面脱钉，断裂尺寸效应的基础科学研究成果，从相变的概念，自仿射概念的断裂和断层过程，断裂表面的普遍特征，最近的高品质的实验室研究，理论模型和数值模拟。严格的标准，建立了一个出现的EM异常作为一个preseeker的定义，而，emergency EM功能，已被认为是悖论，进行了解释。本文提出了一个利用预电离辐射产生EQ的三阶段模型。对观察到的EM前兆可能允许对EQ生成进行实时和分步监测的说法进行了测试。
2013-08-13 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Control of Mechanical and Fracture Properties in Two-phase Materials Reinforced by Continuous, Irregular Networks
本研究通过随机算法设计不规则聚合物增强网络，独立控制微观结构拓扑与几何，从而在局部和全局尺度调控两相复合材料的力学与断裂性能，并实现裂纹空间扩展的预先设计。
2023-09-05 cond-mat.mtrl-sci
Brittle/quasi-brittle transition in dynamic fracture: An energetic signature
动态断裂实验在PMMA在很宽的速度范围内进行，并揭示，断裂能表现出突然3倍的增加，从它的值在裂纹萌生在一个定义明确的临界速度，低于一个相关的发病的微支化不稳定。这种转变与断裂表面上的二次曲线图案的出现有关，在许多材料中，二次曲线图案是通过微裂纹的成核和生长而扩展的损伤的标志。一个简单的模型可以将能量和断口形貌测量相关联。这些结果表明，在非晶材料中，在低速下的动态断裂是由这里研究的脆性/准脆性转变控制。
2010-02-15 cond-mat.mtrl-sci physics.class-ph
Flaw-driven Failure in Nanostructures
了解纳米材料的失效对于设计可靠的结构材料和具有纳米长度尺度组件或微观结构元件的小型设备至关重要。在大块纳米结构材料或纳米结构中，缺陷对断裂的影响还没有达成共识。提出的理论包括纳米级缺陷容限和在纳米级保持宏观断裂关系，几乎没有实验支持。我们通过对具有预制表面缺陷的纳米结构进行纳米力学实验，结合分子动力学模拟，探索纳米材料的断裂机制。纳米晶Pt圆柱体直径为120 nm，故意引入的表面缺口创建使用模板辅助电镀方法，并在原位SEM单轴拉伸测试。实验表明，12个样品中有8个在缺口处失效，拉伸失效强度为1.8 GPa，无论失效发生在缺陷处还是远离缺陷处。这些结果表明，故障位置是敏感的缺陷的存在下，而强度是不敏感的。分子动力学模拟支持这些意见，并表明，初期塑性形变开始通过成核和运动的位错与晶界滑动。我们假设，这种局部塑性降低应力集中的缺陷之前的水平与内在的微观结构特征，如晶界三重连接，纳米尺度的固体，包含一个内部的微观结构的能量景观独特的现象的强度相媲美。这种机制导致失效发生在最薄弱的环节，无论是内部不均匀性还是具有高局部应力的表面特征。
2013-07-11 cond-mat.mtrl-sci
In-situ force microscopy to investigate fracture in stretchable electronics: insights on local surface mechanics and conductivity
可拉伸导体对于新兴技术至关重要，例如可穿戴电子产品，低侵入性生物电子植入物或机器人软致动器。他们的发展的一个关键问题是关于应力-应变循环过程中的缺陷形成和断裂的导电通路的理解。在这里，我们提出了一种新的原子力显微镜（AFM）的方法，提供多通道图像的表面形态，电导率和弹性模量在样品变形。为了开发的方法，我们详细研究了原子力显微镜针尖和拉伸，独立的薄膜样品之间的机械相互作用。我们的研究结果揭示了避免与样本弯曲模式或共振激发相关的伪影的条件。作为一个例子，我们分析了应变效应的薄金膜沉积在软硅衬底上。我们的技术允许观察拉伸应变过程中微裂纹开口的细节及其对局部电流传输和表面力学的影响。我们发现，虽然膜断裂成单独的片段，在较高的应变电流传输是持续的隧穿机制。局部缺陷的形成及其与局部电导率的相关性的微观观察将提供新的见解，以设计更坚固和抗疲劳的可拉伸导体。
2022-02-21 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.app-ph
Graph neural networks for simulating crack coalescence and propagation in brittle materials
随着微裂纹数量的增加，通过基于物理的模型对多个微裂纹相互作用进行高保真断裂力学模拟在计算上很快变得昂贵。本文建立了一个基于图神经网络的框架来模拟脆性材料中多裂纹相互作用引起的断裂和应力演化。GNN框架是在基于XFEM的裂缝模拟器生成的数据集上训练的。我们的框架实现了高预测精度的测试集（相比基于XFEM的裂缝模拟器）通过工程一系列基于GNN的预测。第一预测阶段确定模式-I和模式-II应力强度因子（其可用于通过LEFM计算应力演化），第二预测阶段确定哪些微裂纹将传播，并且最后阶段实际上将所选微裂纹的裂纹尖端位置传播到下一时刻。经过训练的GNN框架能够模拟各种初始微裂纹配置（从5到19个微裂纹）的裂纹扩展，合并和相应的应力分布，而无需任何额外的修改。最后，与基于XFEM的模拟器相比，该框架的模拟时间显示了6倍至25倍的速度。这些特点，使我们的GNN框架模拟多个初始微裂纹的脆性材料中的微裂纹扩展和应力演化的一个有吸引力的方法。
2022-03-10 cond-mat.mtrl-sci
Fracture in multi-phase materials: why some microstructures are more critical than others
我们的目标是解开机制，导致故障的韧性两相材料-由一个韧性软相和一个相对脆硬相。采用理想化的细观结构模型，系统、透明地研究了损伤扩展问题。分析揭示了不同的微观结构特征周围的早期空隙，从而硬相的区域与拉伸轴和软相的区域与剪切方向对齐。这些特征在表现出损伤扩展的区域中一致地被发现，由此损伤保持初始驱动，即空隙彼此独立地成核。在本地化，损害控制在一个较长的长度尺度依赖于一个关键的相对位置的“启动热点”。在软相的带中，损伤迅速增加，其中几个空隙与剪切方向对齐。空隙的相对排列决定了微结构是早期失效还是在显著更高的应变下失效。虽然需要进行大量的研究来完善这些发现，以获得真实或更现实的微观结构，特别是在三维空间中，但本文为更深入地了解多相材料的最终失效开辟了一条途径。
2016-12-19 cond-mat.mtrl-sci
Effect of the porosity on the fracture surface roughness of sintered materials: From anisotropic to isotropic self-affine scaling
为了揭示微观结构如何影响断裂表面粗糙度在非均匀脆性固体，如岩石或陶瓷，我们的特点是死后断裂表面的粗糙度统计在自制的材料的可调微观结构的长度尺度和孔隙度，通过烧结单分散聚苯乙烯珠。除了无序的特征尺寸，粗糙度分布被发现表现出自仿射缩放功能随孔隙度的变化。从零值开始，并增加孔隙度，我们定量地修改自仿射缩放属性从各向异性（在低孔隙度）各向同性（孔隙度大于10%）。
2015-01-16 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Fracture properties of La(Fe,Mn,Si)13 magnetocaloric materials
La（Fe，Mn，Si）13合金是一类很有前途的磁制冷材料。在器械组装和操作过程中与其结构完整性相关的挑战需要深入了解机械性能。在这里，我们开发了一个工作流程，以定量研究断裂性能的La（Fe，Mn，Si）13板用于磁冷却设备。我们采用显微结构表征，光学检查的缺陷，和四点弯曲测试的样品与已知的缺陷尺寸，以评估其机械性能。我们建立了残余强度曲线，直接将观察到的缺陷与机械强度联系起来。对于所采用的几何形状，氢化La（Fe，Mn，Si）13的估计断裂韧性KC约为4 MPa m^1/2。建立的强度和裂纹长度之间的关系使得能够通过光学显微镜检查缺陷来预测机械性能，因此可以在工业上用于指导板材选择，以保证制冷设备的机械稳定性。
2023-01-27 cond-mat.mtrl-sci
Numerical Investigation of Mechanical Properties of Aluminum-Copper Alloys at Nanoscale
纳米压痕是一种强大的工具，能够提供在纳米尺度上的材料弹性和塑性响应的基本见解。纳米尺度的合金特别有趣，因为原子研究揭示的局部异质性和变形机制为理解硬化机制提供了更好的方法，以构建更坚固的材料。本文采用原子模拟的方法研究了Al-Cu合金中的纳米压痕，通过位错驱动机制研究了加载方向、Cu合金化比例对压痕的影响。此外，一个低保真度的有限元（FE）模型已被开发用于纳米压痕模拟，其中纳米级材料的属性是从原子模拟。材料性能，如硬度和折合模量，计算从FE和MD模拟，然后比较。考虑到这两种数值方法之间的根本差异，从本研究中得到的有限元结果符合相当从MD模拟。这为在不需要高保真度结果的情况下使用FE以减少的模拟时间和成本找到合金的材料特性铺平了道路。计算结果包括载荷-位移分析、位错密度、位错环形核与扩展、应力分布和表面压痕。本文所采用的将原子数据纳入有限元模拟的技术可以进一步扩展，以寻找其他复杂合金材料的力学和断裂性能。
2020-09-29 cond-mat.mtrl-sci
Micro-structure of damage in thermally activated fracture of Lennard-Jones systems
本文研究了在恒定外载荷作用下，热涨落对Lennard-Jones固体宏观断裂前的临界应力和损伤微结构的影响。基于有限温度下缺口试样的分子动力学模拟，我们表明，在第二蠕变制度的裂纹前的晶体结构得到扭曲。表征晶格畸变的空间分布的损伤轮廓由指数形式很好地描述。指数形式的特征长度提供了被发现是温度的递增函数的损伤的尺度：在低温下，损伤强烈地局部化到裂纹尖端，而在高温下，损伤延伸到更宽的范围，导致更有效的松弛过载。因此，应力强度因子随温度的升高而降低。系统的最终宏观失效突然发生，这是由空位和空洞的产生引发的。蠕变强度表现出平方根的反比缩放与缺口尺寸的过程区的延伸校正。
2011-06-30 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci
Fracture of a model cohesive granular material
我们实验研究了模型粘性颗粒介质的断裂机制，该介质由固化聚合物桥连接在一起的玻璃珠组成。例如，这种材料的弹性响应可以通过改变聚合物相的交联来控制。在这里，我们表明，它的断裂韧性可以通过调整聚合物桥的刚度和尺寸的数量级进行调整。我们从一系列材料制备下的断裂测试中提取了定义明确的断裂能。发现这种能量与桥的横截面积成线性比例。最后，X射线显微计算机断层扫描显示，裂纹扩展是由位于界面处的每个珠粒的约一个聚合物桥的粘合失效以及失效平面附近的微裂纹驱动的。我们的研究结果提供了洞察这种模型材料的断裂机制，和无序的粘性颗粒介质的力学性能一般。
2016-11-17 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
A Meshfree Peridynamic Model for Brittle Fracture in Randomly Heterogeneous Materials
在这项工作中，我们的目标是开发一个统一的数学框架和一个可靠的计算方法来模拟非均匀材料的脆性断裂与材料微观结构的变化，并提供感兴趣的数量，如断裂韧性的统计指标。为了描述材料的响应，自然地描述成核和裂缝的生长，我们考虑的周波模型。特别是，一个随机状态为基础的周期性模型的开发，其中的微观力学参数建模的有限维随机向量，或随机变量的组合截断的Karhunen-Loève分解或主成分分析（PCA）。为了解决这一随机周期性问题，采用概率配置法（PCM）对表征细观力学参数的随机场进行采样。对于每个样本，确定性的周期性问题离散与优化为基础的无网格求积规则。我们提出了严格的分析所提出的计划，并证明其收敛性的一些基准问题，表明它维持空间上的渐近相容性，并实现了代数或次指数收敛率在随机空间中的配置点的数量的增长。最后，为了验证这种方法在现实世界中的断裂问题的适用性，我们考虑在玻璃陶瓷材料，其中在微观结构尺度上的材料包含非晶玻璃和结晶相的结晶钢化的问题。采用所提出的随机周波解算器对不同晶体体积分数的微晶玻璃的裂纹萌生和扩展过程进行了数值模拟，并计算了其平均断裂韧性。断裂韧性的数值估计与实验测量结果显示出良好的一致性。
2022-02-14 cond-mat.mtrl-sci cs.NA math.NA
Fracture of disordered and stochastic lattice materials
本文提出耦合随机材料失效与几何无序的概率框架，预测晶格机械超材料的损伤起始、断裂长度、RVE尺寸及稳态韧性，并经有限元验证。
2025-08-28 cond-mat.mtrl-sci
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
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
On fracture criteria for dynamic crack propagation in elastic materials with couple stresses
本文的重点是研究具有微结构的弹性材料中动态裂纹扩展的断裂准则。研究了加载在裂纹表面的Ⅲ型半无限裂纹的稳态扩展问题。材料的微极行为由Koiter发展的偶应力弹性理论描述。该本构模型包括弯曲和扭转的特征长度，因此它能够解释材料的底层微观结构。在平衡方程中同时考虑了平动和微转动惯性项，并通过渐近分析研究了裂纹尖端附近解的行为。利用渐近场计算偶应力材料的动态J积分，并由相应的守恒定律导出能量释放率。根据基于能量的格里菲斯准则的传播稳定性进行了研究，并将所得结果与应用最大总剪应力准则得到的结果进行了比较。
2013-09-10 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Mechanical metamaterials: does toughness characterize fracture?
增材制造方法的快速发展创造了一类新的超轻和坚固的建筑超材料，类似于周期性桁架结构。这些具有大量单元的超材料的机械性能最终受到其对损伤和缺陷的耐受性的限制，但对这种敏感性的理解仍然难以捉摸。使用拉伸为主的微结构和超材料标本，包括数以百万计的单元格，我们表明，不仅是应力强度因子，在传统的弹性断裂力学，不足以表征断裂，而且传统的断裂测试协议是不够的。通过数值计算和渐近分析相结合，我们扩展了断裂力学的思想，并开发了一个通用的测试和设计协议的故障的超材料。
2021-06-07 cond-mat.mtrl-sci
Phase-field modeling of ductile fracture across grain boundaries in polycrystals
本研究针对多晶金属延性断裂的损伤与微裂纹问题，将单晶延性相场断裂框架扩展至多晶，提出耦合损伤的新型微柔性边界条件，验证其能实现硬化阻滑移、断裂生跨晶界微裂纹的效果，可用于模拟孔洞聚合与三维裂纹前沿。
2024-10-31 cond-mat.mtrl-sci cs.NA math.NA
Unravelling brittle fracture statistics out of self-healing patterns forming during femtosecond laser exposure
飞秒激光在脆性材料表面的写入图案可以显示从自组织到无序结构的再生随机转变。在这里，我们表明，这种随机的间歇性行为进行相关的断裂统计信息，如所谓的威布尔参数。此外，我们绘制了一个现象学的类比与空闲和繁忙的周期中出现的闪烁系统，我们用来建立这些连续的激光产生的周期是统计独立的。基于这种类比，并结合微观观察，我们提出了一种实验方法，绕过了许多标本建立统计相关的合奏断裂试验的需要。这种方法可能是通用的，因为它可以适用于大量的脆性材料。
2017-04-19 cond-mat.mtrl-sci
Computational modelling of hydrogen assisted fracture in polycrystalline materials
我们提出了一个相场和凝聚区相结合的氢脆配方，解决了金属的多晶微观结构。与以前的研究不同，我们的变形-扩散-断裂建模框架考虑了氢-微观结构的相互作用，并明确捕获了体（穿晶）断裂和晶间断裂之间的相互作用，后者通过晶界脱粘等机制由氢促进。我们展示了潜在的理论和计算公式，通过模拟晶间和穿晶开裂在相关的案例研究。首先，进行验证计算，以显示该框架如何预测预期的定性趋势。其次，该模型被用来模拟最近的实验纯镍和镍铜高温合金，吸引了特别的兴趣。我们表明，该模型是能够提供一个很好的定量协议与测试数据，并产生一个机械的基本原理的实验观察。
2022-07-15 cond-mat.mtrl-sci cs.CE physics.app-ph
Hygroscopic phase field fracture modelling of composite materials
本文提出耦合水分扩散、吸湿膨胀与断裂的相场框架，跨微观至宏观尺度揭示水分促进复合材料界面脱粘及损伤演化的机制。
2023-04-06 cond-mat.mtrl-sci cs.CE physics.app-ph
The Potential of Ti$_3$C$_2$T$_X$ Nano-sheets (MXenes) for Nanoscale Solid Lubrication Revealed by Friction Force Microscopy
Ti $_3$ C $_2$ T $_X$纳米片（MXene）是一类新兴的二维材料，具有在从纳米到宏观的长度尺度上用于能量存储、催化和摩擦电应用的突出潜力。尽管对这类新材料的兴趣迅速增加，但它们的纳米级摩擦特性，特别是它们在纳米级上的固体润滑潜力，尚未得到详细研究。在这个简短的通信中，我们提出了第一个结果MXene的纳米级摩擦特性，在一个孤立的Ti $_3$ C $_2$ T $_x$纳米片上通过摩擦力显微镜沉积在二氧化硅衬底上获得的摩擦地图的形式。我们的实验表明，少层Ti $_3$ C $_2$ T $_x$纳米片确实在纳米级上充当固体润滑剂，减少二氧化硅基底上的摩擦，尽管不如少层石墨烯有效。本文报道的结果为进一步研究Ti $_3$ C $_2$ T $_X$（MXene）纳米片实现的纳米级固体润滑铺平了道路。
2020-05-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
