Disorder Enhances the Fracture Toughness of Mechanical Metamaterials
该研究发现力学超材料中合理引入无序可实现分布式损伤，在强度损失极小的情况下提升断裂韧性，建立了无需裂纹路径信息的无序-韧性力学模型，验证表明最优无序下韧性可达等密度有序晶格的2.6倍以上。
2024-07-09 cond-mat.mtrl-sci
Connecting bond switching to fracture toughness of calcium aluminosilicate glasses
Aalborg University（奥尔堡大学）；The Hong Kong Polytechnic University（香港理工大学）；Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学）；Univ Rennes, CNRS, IPR (Institut de Physique de Rennes)（雷恩大学，法国国家科学研究中心，雷恩物理研究所）；CNRS（法国国家科学研究中心）
研究通过实验和模拟揭示钙铝硅酸盐玻璃断裂韧性与键切换的正相关关系，强调结构因素对机械性能的综合影响。
2026-01-23 cond-mat.mtrl-sci
Fracture toughness characterization through notched small punch test specimens
在这项工作中，提出了一种新的方法，通过小冲杆试验（SPT）的断裂韧性表征。采用缺口试件，通过缺口口位移{δ^SPT}的临界值来评估抗断裂性能。有限元模拟和中断实验用于跟踪{δ^SPT}作为冲头位移的函数的演变。裂纹扩展的发病确定通过一个延性损伤模型和结果相比，裂纹尖端的开口位移估计从传统的测试在裂纹萌生。建议的数值实验方案进行检查与两个不同等级的CrMoV钢和捕获的材料韧性的差异。从不同的损伤现象中观察到的最低韧性材料检查所产生的限制和不确定性进行了彻底的讨论。
2017-11-07 cond-mat.mtrl-sci
Hardness and fracture toughness models by symbolic regression
针对超硬材料设计需求，本文利用无偏符号回归技术构建了仅需剪切和体积模量作为输入的宏观硬度与断裂韧性模型，并结合深度学习预测模量，实现了潜在超硬材料的高通量高效筛选。
2023-08-04 cond-mat.mtrl-sci
Polyaniline and graphene nanocomposites for enhancing the interlaminar fracture toughness and thermo-mechanical properties of carbon fiber/epoxy composites
分层是碳纤维增强复合材料的主要问题之一。提高断裂韧性减少分层，并允许创建多功能CFRP。在这项研究中，聚苯胺（PANI）包覆的石墨烯纳米片（GNP）被引入到CFRP预浸料的层间区域的帮助下，环境友好的热塑性聚合物，聚乙烯吡咯烷酮（PVP）。GNP含量相对于PVP按重量计在1%、3%和5%之间变化。采用双悬臂梁试验研究了断裂韧性的改善。在相对于PVP添加5wt%GNP的情况下观察到模式I断裂韧性的约79%的改进。动态力学分析结果证实了储能模量的改善，但显示出玻璃化转变温度的降低与添加纳米填料。各种光谱分析和成像技术被用来理解和评估纳米复合材料与CFRP预浸料的相互作用。
2022-07-19 cond-mat.mtrl-sci
Effective toughness estimation by FFT based phase field fracture: application to composites and polycrystals
提出基于FFT均匀化求解器中Phase Field Fracture模型估计异质材料有效断裂韧性的方法，通过恒定能量耗散率控制RVE变形，发现弹性响应和断裂能量异质性及裂纹路径偏转是增韧关键机制。
2025-08-10 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
Enhanced fracture toughness in ceramic superlattice thin films: on the role of coherency stresses and misfit dislocations
由耐火陶瓷组成的超晶格（SL）薄膜结合了极高的硬度和增强的断裂韧性;材料组合通常是相互排斥的。虽然现有的基于位错迁移率的模型很好地描述了当两种材料形成超晶格时所获得的硬度增强，但断裂韧性增加背后的潜在机制尚未解开。在这里，我们提供了一个模型的基础上，线性弹性理论来预测断裂韧性增强（半）外延纳米层由于相干应力和形成失配位错。我们示例性地研究了在MgO（100）单晶衬底上由两种立方过渡金属氮化物（TiN，CrN）组成的超晶格结构。每次在纳米层堆叠上添加新层时，总应变能的最小化允许估计在界面处形成的失配位错的密度。发展的相干应力，这是部分放松的错配位错，然后被用来计算表观断裂韧性的各个SL架构，通过应用权函数法。结果表明，对于极薄（基本上无位错）的SL，临界应力强度随双层周期的增加而急剧增加，但随着失配位错的形成，K_IC值下降较平缓。特征K_IC与双层周期依赖性很好地匹配实验趋势。重要的是，所有的临界应力强度值的超晶格薄膜明显超过本征断裂韧性的构成层材料，显示的重要性的相干应力增加的裂纹生长阻力。
2020-08-31 cond-mat.mtrl-sci
Role of crystal lattice structure in predicting fracture toughness
通过数值模拟和脆性晶体电学模拟的解析分析，研究了材料抗破坏能力的原子尺度依赖性。我们发现，断裂韧性取决于晶格几何形状的方式不兼容格里菲斯的关系断裂和自由表面能。它的价值在于工程尺度上的连续位移场与原子尺度上固体的离散性质之间的匹配。裂纹尖端附近的这个字段所采取的通用渐近形式提供了这种匹配的解决方案，并随后从应用到石墨烯的原子参数预测韧性的方法。
2020-01-10 cond-mat.mtrl-sci physics.class-ph
Porous LSCF/Dense 3YSZ Interface Fracture Toughness Measured by Single Cantilever Beam Wedge Test
通过烧制多孔La 0.6Sr 0.4Co 0.2Fe 0.8O3-d（LSCF）的薄中间层以将薄的四氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）梁结合到厚的YSZ衬底来制备夹层试样。通过在两个YSZ粘合剂之间引入楔形物来评估接头的断裂，使得在薄YSZ悬臂梁中储存的能量驱动粘合剂结合中的稳定裂纹，并允许测量裂纹扩展的临界能量释放率（断裂韧性）。在大多数试样的裂纹路径表现出的混合物的粘合失败（在YSZ-LSCF接口）和内聚失败（内LSCF）。结果表明，胶接断裂的程度随烧成温度的升高而增大，随LSCF层厚度的增加而减小。粘结失效主要发生在LSCF和薄YSZ梁之间的界面处，有限元建模显示这是由于LSCF中的不对称应力。在1000- 1150 ℃的烧成温度范围内，粘结断裂韧性对烧成温度有很强的依赖性。然而，LSCF/YSZ界面的固有粘合断裂韧性估计为11 Jm 2，并且在研究的温度范围内与烧制温度无关。
2015-02-07 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
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
Fracture Toughness of Metallic Glasses: Ductile-to-Brittle Transition?
对金属玻璃的断裂韧性，包括相关的韧脆转变的定量理解，还没有。在这里，我们使用一个简单的塑性形变的玻璃模型，再加上一个先进的欧拉水平集制定解决复杂的自由边界问题，计算金属玻璃的断裂韧性作为一个功能的结构松弛度对应于不同的退火时间附近的玻璃温度。我们的主要结果表明，充分放松的玻璃的弹塑性裂纹尖端的不稳定性的存在，导致在韧性的显着下降，我们解释为类似于实验观察的延性到脆性的转变。
2012-07-17 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
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
The effect of elastic-plastic mismatch and interface proximity on the fracture toughness of Ti-TiN thin films
本研究通过微悬臂梁试验量化了Ti-TiN多层膜中弹塑性失配对裂纹驱动力的影响，发现250 nm Ti层可使断裂阻力提升近十倍，为优化金属中间层厚度提供物理依据。
2025-06-23 cond-mat.mtrl-sci
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
Fracture Toughness of Silicate Glasses: Insights from Molecular Dynamics Simulations
了解、预测并最终改善硅酸盐材料的抗断裂性对于设计更坚固的新玻璃同时保持其透明度至关重要。然而，在非晶硅酸盐材料的断裂的原子机制仍然是一个有争议的话题。特别是，在裂纹扩展过程中，在纳米尺度上的延性的存在有一些争议。在这里，我们提出了使用分子动力学模拟三个原型硅酸盐玻璃的断裂。我们表明，所使用的方法提供了现实的断裂能和韧性值。此外，模拟清楚地表明，硅酸盐玻璃可以显示出不同程度的延展性，这取决于它们的成分。
2015-06-22 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci
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
Correlating toughness and roughness in ductile fracture
本文采用弹粘塑性本构关系，对含两种空穴形核第二相粒子的塑性固体进行了Ⅰ型平面应变、小尺度屈服条件下的三维延性裂纹扩展计算。本文给出了以空穴形核粒子随机分布为特征的三维材料微结构的全场解。裂纹扩展阻力曲线和断裂表面粗糙度统计使用标准程序计算。所考虑的空隙成核颗粒体积分数的范围引起韧性值JIC，其变化为四倍。对于所有考虑的体积分数，计算的断裂表面是自仿射的约两个数量级的尺寸范围内的粗糙度指数为0.54 $\pm$ 0.03。对于小空隙成核颗粒体积分数，平均大颗粒间距作为一个单一的主导长度尺度。在这个制度中，相应于自仿射行为的截止的断裂表面的相关长度被发现是线性相关的JIC，从而定量相关的韧性和断裂表面粗糙度。
2013-07-16 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
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
Substrate effect and nanoindentation fracture toughness based on pile up and failure
利用纳米压痕技术研究了基底对薄膜的影响。在硬衬底上的软薄膜表现出比通常更多的堆积，这归因于位错堆积在膜-基界面处。研究了针尖钝化对纳米压痕加载深度和硬度曲线的影响。拟合了维氏硬度随膜厚和载荷变化的实验数据，并对新参数进行了分析。使用几何形状使用失效区域的光学视图以及载荷位移来分析分层区域。使用使用布氏压头的纳米压痕来研究压痕断裂。基于计算程序分析了压痕断裂韧性。研究了纳米压痕过程中的接触力学问题，分析了压头形状和针尖锋利度对接触力学的影响。弹性，塑性和总能量计算确定。能量差与弹性到塑性转变产生的剪切应力有关。残余应力性质的变化与膜厚有关。
2016-06-19 cond-mat.mtrl-sci
Combined numerical and experimental estimation of the fracture toughness and failure analysis of single lap shear test for dissimilar welds
单搭接剪切试验被广泛用于测量异种焊缝的强度，即使这样的试验带来的固有焊缝韧性的了解有限。本研究提出了一种数值有限元（FE）分析和实验表征不同的接头呈现不同的微观结构（金属间化合物层（IML）和硬度分布的厚度）。为此目的，使用摩擦熔融连接（FMB）和摩擦搅拌焊接（FSW）来连接铝AA 6061和双相钢（DP 980）。有限元模拟允许计算该缺口尖端附近J积分的演变。结果表明，裂纹萌生主要取决于缺口尖端附近焊接金属合金的塑性和焊接区的宽度，而这两个因素在搅拌摩擦焊和搅拌摩擦焊中有显著的不同。然而，从FMB和FSW的分析中估计，相似的焊缝断裂韧性J_C约为1 kJ·m-2。这比金属间化合物层的断裂韧性高三个数量级，揭示了裂纹尖端周围的Al和钢板中的塑性耗散对焊接韧性有重大影响。
2021-04-27 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
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
Steady-state fracture toughness of elastic-plastic solids: Isotropic versus kinematic hardening
在韧性材料中扩展的I/II型裂纹的断裂韧性已经受到许多研究。然而，材料硬化定律的影响受到的关注非常有限，如果没有循环载荷，则各向同性硬化是默认选择。目前的工作扩展了现有的研究单调模式I/II稳态裂纹扩展的目标是比较预测从各向同性硬化模型与运动硬化模型。这项工作是通过一个专门构建的稳态框架进行的，该框架直接提供稳态解决方案。为了提供一个断裂准则，一个凝聚区模型被采用，并嵌入在裂纹尖端的稳态框架，而远场的控制算法，显着减少了平衡迭代的次数被用来耦合远场加载到正确的裂纹尖端开口。结果表明，稳态断裂韧性（屏蔽比）得到的随动硬化材料是大于相应的各向同性硬化情况。各向同性和运动学模型之间的差异与非比例加载条件和逆塑性有关。这也解释了当考虑模式II裂纹扩展时屏蔽比的消失差异，因为非比例加载不太明显，并且不存在反向塑性。
2018-12-08 cond-mat.mtrl-sci
Fracture of the $C$15 CaAl$_2$ Laves phase at small length-scales
本研究通过微柱劈裂和微悬臂梁弯曲实验首次测定$C$15 CaAl$_2$ Laves相的断裂韧性，发现其韧性受解理面控制，{011}面优先断裂，并借助原子模拟揭示晶格捕获和动力学机制。
2024-03-14 cond-mat.mtrl-sci
Mode I fracture toughness of asymmetric metal-composite adhesive joints
本文采用双悬臂梁（DCB）试验研究了异种金属-复合材料胶接接头的Ⅰ型断裂韧性。研究中的特殊接头是由薄钛板与薄碳纤维增强塑料（CFRP）层压板的粘合剂连接产生的，并设想在未来飞机的混合层流控制系统中实现。四种不同的工业技术的钛和CFRP粘合剂的连接进行了评估/比较;共粘结和不粘结剂和二次粘结使用热固性或热塑性CFRP。采用真空辅助树脂传递模塑（VARTM）技术制造面板。在制造之后，将板切割成测试样本，因为它们太薄（约2.4mm厚），需要用两个铝背衬梁从钛和复合材料侧进行加强，以确保钛在随后的DCB测试期间不屈服。为了从实验数据中确定接头的断裂韧性，作者最近开发了一种分析模型，该模型考虑了构成试样的两个子层压板的弯曲-延伸耦合以及制造引起的残余热应力。对于四个制造选项（MO）的调查，载荷-位移行为，故障模式，和断裂韧性性能进行了介绍和比较。
2020-05-07 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Computational Discovery of Microstructured Composites with Optimal Stiffness-Toughness Trade-Offs
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）；POSTECH（浦项科技大学）
本研究提出一种集成物理实验、数值模拟和人工神经网络的通用流水线，通过嵌套循环提议-验证工作流弥合模拟与现实的差距，以高样本效率发现具有最优刚度-韧性权衡的微结构复合材料，并自动识别增韧机制。
2024-01-03 cond-mat.mtrl-sci cs.LG
Exceptional fracture toughness of CrCoNi-based medium- and high-entropy alloys close to liquid helium temperatures
基于CrCoNi系统的中熵和高熵合金已显示出出色的强度、拉伸延展性和断裂韧性（损伤容限特性），尤其是在低温下。在这里，我们研究的JIC和（反算）KJIC断裂韧性值的面心立方，等原子CrCoNi和CrMnFeCoNi合金在20 K。在流动应力值为~1.5 GPa时，发现裂纹起始KJIc韧性异常高，CrMnFeCoNi和CrCoNi分别为235和415 MPa（平方根）m，后者在2.25 mm稳定开裂后显示出超过540 MPa（平方根）m的裂纹增长韧性Kss，据我们所知，这是有史以来报道的最高值。在CrCoNi的裂纹尖端区域的扫描电子显微镜和透射电子显微镜的表征揭示变形结构在20 K，是相当不同的那些在较高的温度下，涉及异质成核，但限制生长，堆垛层错和精细的纳米孪晶，连同转变为六方密堆积相。这些特征的共格界面可以促进位错的阻止和传输，以分别产生强度和延展性，这强烈地有助于持续的应变硬化。事实上，我们相信这些名义上单相的、浓缩的固溶体合金通过变形机制的渐进协同作用来发展它们的抗断裂性，包括位错滑移、层错形成、纳米孪晶和最终的原位相变，所有这些都用于扩展连续应变硬化，从而同时提高强度和延展性（通过延迟塑性不稳定性），从而产生真正卓越的抗断裂性。
2022-04-04 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Interface-Controlled Defect Engineering in TiN/TaN Superlattices for Enhanced Hardness and Fracture Toughness
Technische Universität Wien（维也纳工业大学）；Plansee (Shanghai) High Performance Material Ltd.（普莱思（上海）高性能材料有限公司）；Guangdong University of Technology（广东工业大学）；RWTH Aachen University（亚琛工业大学）；Austrian Academy of Sciences（奥地利科学院）；Uppsala University（乌普萨拉大学）
该研究通过在TiN/TaN超晶格界面掺杂C、B、Si调控缺陷，使硬度最高达41 GPa、断裂韧性最高达4.0 MPam^0.5，为陶瓷氮化物超晶格力学性能调控提供了界面化学设计新参数。
2026-08-26 cond-mat.mtrl-sci
Fracture of bio-cemented sands
本研究通过MICP制备生物胶结砂试样，测量Ⅰ型和混合型断裂韧性，建立细观力学模型预测其与胶结程度的关系，并阐明T应力及微裂纹区对断裂行为的影响，为岩石断裂现象提供理论支撑。
2023-11-13 cond-mat.mtrl-sci cs.CE physics.app-ph
Fracture of Lattice Materials from Low to High Relative Density
University of Pennsylvania（宾夕法尼亚大学）
本文提出结合均匀化与钝裂纹理论的解析模型，预测三角和六边形晶格断裂韧性，发现高密度下节点应力集中主导失效，准脆性PMMA晶格韧性提升约1.6倍，部分可超越基体材料。
2026-09-30 cond-mat.mtrl-sci
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
Fracture toughness and auxeticity in disordered metamaterials
研究通过多目标优化随机梁网络同时优化拉胀性与断裂前吸收能量，发现最优配置沿Pareto前沿分布，揭示了无序力学超材料设计中性能权衡的潜力与局限。
2025-07-26 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci
Stress, Strain, or Displacement? A Novel Machine Learning Based Framework to Predict Mixed Mode I/II Fracture Toughness
本文提出一种基于机器学习的框架，直接利用应力、应变或位移分布作为输入特征预测混合模式 I/II 断裂韧性和裂纹起裂角，验证表明基于应力的特征结合 Multilayer Perceptron 模型预测精度高，且无需后处理步骤。
2025-03-02 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Quantitative Prediction of Fracture Toughness $(K_{{\rm I}c})$ of Polymer by Fractography Using Deep Neural Networks
断裂面提供关于断裂的各种类型的信息。表示抗断裂性的断裂韧性$K_{{\rm I}c}$可以使用断裂表面的三维（3D）信息来估计，即，粗糙度。然而，获得断裂表面的3D信息是耗时且昂贵的;因此，期望从可以容易地获得的二维（2D）图像估计$K_{{\rm I}c}$。近年来，使用深度学习从其2D图像估计3D结构的方法已经迅速发展。在这项研究中，我们提出了一个框架，断口直接估计$K_{{\rm I}c}$从一个二维断口图像使用深度神经网络（DNN）。通常，使用DNN的图像识别需要大量的图像数据，由于实验成本高，很难获得用于断口分析的图像数据。为了弥补有限的数据，在这项研究中，我们使用了迁移学习（TL）方法，通过迁移使用其他大数据集训练的机器学习模型，即使是小数据集也可以构建高性能的预测模型。我们发现，使用我们提出的框架获得的回归模型可以预测$K_{{\rm I}c}$在约1-5 [MPa $\sqrt{m}$ ]的范围内，估计误差的标准偏差约为$\pm$ 0.37 [MPa $\sqrt{m}$ ]。目前的研究结果表明，用TL训练的DNN为定量断口分析开辟了一条新的途径，即使用很小的数据集也可以从断裂表面估计断裂过程的参数。该框架还可以在几个小时内建立回归模型。因此，我们的框架使我们能够筛选材料科学领域中可用的大量图像数据集，并找到值得进行昂贵的机器学习分析的候选数据集。
2022-04-29 cond-mat.mtrl-sci physics.data-an
Evaluation of dynamic fracture toughness of a bonded bi-material interface subject to high-strain-rate shearing using digital image correlation
高应变率剪切试验进行了一个三层的粘合测试片，包括一个中央铝层与PMMA树脂层结合在两侧。在计算位移场和应变场，使用数字图像相关（DIC），裂纹尖端的位置，并在铝/PMMA粘接界面的断裂韧性进行了评价。DIC的结果是，可以确定1）弹性应力波传播到铝部分，2）波传输到PMMA部分，和3）在界面处产生裂纹的过程。裂纹的尖端被确定使用DIC获得的位移分布。用应力强度因子评价了界面的断裂韧性。通过校正使用DIC获得的界面处的应变值来计算真实界面应力。应力的分布表明，在本测试方法中，当裂纹足够短于粘结界面的长度时，出现模式II断裂，相比之下，当裂纹较长时，出现模式I和模式II断裂。虽然应力强度因子的值受到DIC分析的误差的干扰，但是确认了，当从裂纹尖端到长范围以1的比率对DIC中的子集进行平均时，所获得的值是相似的，而不管裂纹长度的差异如何。由于所得应力强度因子值与相关文献中的计算值相似，因此可以得出结论，本研究提出的方法得到了合理的应力强度因子。
2021-08-17 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
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
Damage Prediction of Sintered α-SiC Using Thermo-mechanical Coupled Fracture Model
The State University of New York at Buffalo（纽约州立大学布法罗分校）
本文提出热力学耦合断裂模型，用于预测α-SiC在宽温度范围内的损伤，通过验证测试展示了其在断裂韧性模拟中的准确性及并行计算能力。
2026-03-05 cond-mat.mtrl-sci
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
A versatile numerical approach for calculating the fracture toughness and R-curves of cellular materials
我们开发了一种计算脆性和弹塑性晶格材料的I型R曲线的数值方法，并揭示了晶格拓扑结构，相对密度和组成材料行为对二维各向同性晶格的增韧响应的影响。该方法是基于对单边缺口弯曲（SENB）试样的J积分的有限元计算，单个杆件建模为具有线弹性或幂律弹塑性本构行为和基于最大应变的损伤模型的梁。三个二维各向同性晶格拓扑结构（三角形，六边形和戈薇）和两个组成材料（代表脆性陶瓷（碳化硅）和应变硬化弹塑性金属（钛合金））的结果。我们提取的初始断裂韧性和R-曲线的所有晶格，并表明（i）弹性脆性三角形晶格表现出增韧（上升R-曲线），和（ii）弹塑性三角形晶格显示显着增韧，而弹塑性六边形晶格失败的脆性方式。我们表明，这种故障行为的差异可以解释的塑性区的大小，裂纹扩展后增长，并得出结论，晶格中的裂纹扩展的性质（脆性与韧性）取决于组成材料和晶格结构。虽然结果为二维桁架格，所提出的方法可以很容易地应用到三维桁架和壳格，只要裂纹尖端位于一个单元格的空的空间。
2020-03-17 cond-mat.mtrl-sci
Strength, transformation toughening and fracture dynamics of rocksalt-structure Ti1-xAlxN (0 <= x <= 0.75) alloys
从头计算的理想强度和韧性描述了在实际系统中可达到的机械性能的上限，因此，可以用于材料设计的选择标准。采用密度泛函从头计算分子动力学（AIMD）方法研究了室温下无缺陷岩盐结构（B1）TiN和B1 Ti 1-xAlxN（x = 0.25，0.5，0.75）固溶体在[001]，[110]和[111]拉伸变形下的力学性能.我们确定合金的理想强度和韧性，弹性响应，以及塑性变形断裂的能力作为Al含量的函数。总的来说，TiN比TiAlN固溶体表现出更大的理想弹性模量和拉伸强度。然而，AIMD modelingshowed，无论应变方向，二元化合物系统断裂脆性解理在其屈服点。模拟还表明，Ti0.5Al0.5N和Ti0.25Al0.75N固溶体固有地更耐断裂，并且具有比TiN大得多的韧性，这是由于超出弹性响应范围的局部结构转变（主要是B1 ->纤锌矿型）的激活。与此形成鲜明对比的是，具有25% Al的TiAlN合金表现出与TiN类似的脆性。这项工作的结果是基于弹性的标准的限制的例子预测的强度，脆性，延展性和韧性的材料能够经历相变与负载。此外，比较目前和以前的研究结果，我们提出了一个一般原则的硬陶瓷固溶体的设计，通过相变增韧机制，是critically倾向于消散极端的机械应力。
2020-02-14 cond-mat.mtrl-sci
Phase field predictions of microscopic fracture and R-curve behaviour of fibre-reinforced composites
我们提出了一个计算框架，探讨纤维增强聚合物复合材料的断裂韧性的微观结构和组成性质的影响。为了捕捉微观基体开裂和纤维基体脱粘，框架耦合相场断裂方法和凝聚区模型的有限元方法的上下文中。进行了虚拟单缺口三点弯曲试验。复合材料的实际微观结构由断裂过程区中的嵌入单元模拟，而其余区域均质化为各向异性弹性固体。预测结果与实验观测的详细比较表明，它是可以准确地捕捉到的裂纹路径，界面脱粘和载荷与位移响应。确定了裂纹扩展阻力曲线（R曲线）对基体断裂韧性和纤维-基体界面性能的敏感性。孔隙率对纤维增强复合材料的R-曲线的影响也进行了探讨，揭示了一个稳定的响应与空隙体积分数的增加。这些结果揭示了微观断裂机制，并为高断裂韧性复合材料的有效设计奠定了基础。
2020-11-02 cond-mat.mtrl-sci cs.CE physics.app-ph
Fracture toughness of leaves: Overview and observations
有人可能会问，当大自然母亲完美地完成她的工作时，为什么了解叶片断裂的机制很重要？我可以列出以下理由来回答这个问题：（a）树叶是天然的复合结构，在数百万年的进化过程中，它们已经适应了周围的环境，并且它们的设计是最优化的，人们可以将研究树叶断裂机制所获得的知识应用于新复合材料的开发;（二）其他软组织，例如皮肤和血管，在某些层面上也有类似的结构，并可能具有相同的断裂机制。所获得的知识也可应用于这些材料;（c）全球对粮食的需求正在急剧增加。包括美国在内的少数几个国家拥有在未来世界粮食供应市场上发挥重要作用的所有潜力（即水、土壤、阳光和人力）。如果我们能够通过保护农场和森林免受食草动物（Beck，1965）、病原体（Campbell et al.，1980）和其他物理损害来提高产量，我们在未来市场的份额将会更高。它还将加强我们的国家粮食安全，因为我们将不再依赖粮食进口。我们还不知道如果我们能通过基因设计出更坚韧的材料，我们的农场和森林产量能节省多少，但整个想法确实值得研究。
2016-01-07 cond-mat.mtrl-sci physics.bio-ph q-bio.TO
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
A Combined Microbeam and Phase-Field Approach to Identify the Toughness and Ultimate Strength of Amorphous Silica
Nippon Electric Glass Co., Ltd.（日本电气玻璃有限公司）；CNRS, INSA Lyon（法国国家科学研究中心，里昂国立应用科学学院）；National Institute for Materials Science (NIMS)（国立材料研究所）；ESPCI Paris, PSL University, CNRS, Sorbonne University（巴黎高等物理化工学院，巴黎文理研究大学，法国国家科学研究中心，索邦大学）；Mines Saint-Etienne, Univ Lyon, CNRS（圣艾蒂安矿业学院，里昂大学，法国国家科学研究中心）
本研究结合微束试验与相场计算，提出测定非晶二氧化硅韧性和极限拉伸强度的新方法，可同时获取两类关键力学参数，弥补传统方法的局限。
2026-07-31 cond-mat.mtrl-sci
Graphene and its elemental analogue: A molecular dynamics view of fracture phenomenon
石墨烯和一些类似石墨烯的二维材料;六方氮化硼（hBN）和硅具有独特的机械性能，这严重限制了用于普通脆性和韧性材料的传统理论预测这些材料的断裂响应的适用性。利用LAMMPS进行分子动力学模拟，揭示了石墨烯、六方氮化硼和硅烯纳米片在不同微裂纹长度下的断裂响应。这些大面积二维材料的有效强度由其断裂韧性决定。我们的研究对石墨烯的元素类似物的机械性能进行了比较分析，并表明hBN在机械性能方面可以成为石墨烯的良好替代品。我们还发现，预裂纹板以脆性方式破坏，其破坏是由裂纹尖端原子键的强度。断裂韧性的MD预测显示显着的差异与由格里菲斯的脆性破坏理论，限制了这些材料的纳米裂纹的情况下，格里菲斯的准则的适用性确定的断裂韧性。此外，在扶手椅和锯齿形方向上测量的这些材料的纳米片的强度暗示扶手椅方向上的键具有比锯齿形方向更强的抵抗裂纹扩展的能力。
2017-04-07 cond-mat.mes-hall 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
Order induces toughness in anisotropic colloidal crystal composites
本研究构建宏观二氧化硅棒各向异性胶体晶体复合材料，证明矿物相有序排列结合韧性界面可实现高矿含量、10%塑性应变与毫米级损伤离域，突破韧性—矿物含量权衡。
2024-01-22 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
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
Atomistic Representation of Anomalies in the Failure Behaviour of Nanocrystalline Silicene
硅烯是石墨烯的2D类似物，由于其对下一代电子设备至关重要的独特性能，在科学界引起了巨大的研究兴趣。在这项工作中，第一次，我们提出了一个分子动力学（MD）的调查，以确定在室温下不同的晶粒尺寸和预先存在的裂纹长度的纳米晶硅烯（nc硅烯）片的断裂强度和韧性。我们的研究结果表明，从逆伪霍尔Petch的伪霍尔Petch行为在nc硅烯的过渡发生在17.32 nm的临界晶粒尺寸。这种现象在纳米晶石墨烯中也很普遍。然而，nc硅烯与预先存在的裂纹表现出异常的裂纹扩展和断裂韧性行为。我们已经观察到两种不同类型的故障机制（裂纹敏感和不敏感的故障），并设计下，它们发生的机械物理条件。Griffiths理论和分子动力学模拟计算的断裂韧性都表明Griffiths理论高估了nc硅烯的断裂韧性。然而，最引人注目的结果是，尽管存在预先存在的裂纹，nc硅烯的裂纹敏感性被发现是依赖于晶粒尺寸和它们的取向。这项研究是第一次直接比较原子模拟的连续介质理论预测的异常行为的变形和破坏机制的nc硅烯。
2017-08-09 cond-mat.mtrl-sci
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
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
Ultrahigh toughness polycrystalline ceramics without fading of strength
自从Garvie等人在1975年发现相变增韧以来，氧化锆陶瓷一直被认为是具有高断裂韧性和强度的结构材料[1]。虽然这些力学性能是先进陶瓷中最优异的，但韧性还没有达到金属材料的水平。在这里，我们证明了第一次，2.9质量%的Y2 O3-稳定的ZrO 2掺杂Al 2 O3大大超过了传统的氧化锆陶瓷的韧性，这是可比的金属材料，甚至具有略高的强度。这些陶瓷材料的优异力学性能将有助于进一步拓展先进陶瓷在许多工程领域的应用。
2021-12-29 cond-mat.mtrl-sci
Phase-field modelling and analysis of rate-dependent fracture phenomena at finite deformation
本文提出了一种有限变形下率相关断裂的能量相场模型，采用有限粘弹性公式与Ogden应变能密度，通过实验数据校准并验证了模型在单调载荷与蠕变断裂下的预测能力，揭示了耗散驱动力非必需且率相关韧性对描述脆延转变至关重要。
2022-06-07 cond-mat.mtrl-sci
