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如果你曾在會(huì)議中感到無聊并嘗試玩一個(gè)金屬回形針來打發(fā)時(shí)間，那么你可能已經(jīng)注意到一些令人驚訝的事情。盡管回形針開始時(shí)很靈活并多次恢復(fù)到原來的形狀，但在多次循環(huán)之后，它可能突然斷裂。這是一個(gè)“疲勞”的例子，即當(dāng)一個(gè)物體受到周期性的加載和卸載的壓力時(shí)，裂縫和缺陷就會(huì)積累起來。

材料疲勞是許多工業(yè)應(yīng)用中的一個(gè)重要問題。它對(duì)機(jī)器或飛機(jī)部件尤其重要，這些部件經(jīng)歷了許多應(yīng)力循環(huán)，但其突然失效可能是災(zāi)難性的。因此，更好地了解材料疲勞的基本過程可能有很大的好處，特別是對(duì)于非晶體材料。

現(xiàn)在，來自東京大學(xué)工業(yè)科學(xué)研究所的一組科學(xué)家利用計(jì)算機(jī)模擬研究了玻璃或塑料等非晶體固體的低周期疲勞斷裂的物理機(jī)制。對(duì)于晶體材料，已經(jīng)證明預(yù)先存在的缺陷和晶界可以因?yàn)槠诙l(fā)斷裂。然而非晶態(tài)材料中的相應(yīng)機(jī)制還沒有被很好地理解。雖然看起來很直觀，跟恒定應(yīng)力相比，循環(huán)應(yīng)力發(fā)生斷裂所需的應(yīng)力要小得多，但科學(xué)家們的發(fā)現(xiàn)并非如此。

“跟通常的看法相反，我們表明，無序材料中跟不可逆變形的開始相對(duì)應(yīng)的臨界應(yīng)變對(duì)于疲勞和單調(diào)斷裂是相同的，”論文共同作者Yuji Kurotani說道。

這是因?yàn)椋瑢?duì)于普通的非晶態(tài)系統(tǒng)，更高的密度會(huì)導(dǎo)致更多的彈性和更慢的動(dòng)態(tài)。機(jī)械性能的這種密度依賴性使剪切變形跟密度波動(dòng)相聯(lián)系。然后，循環(huán)剪切可以放大密度波動(dòng)，直到樣品通過空化而破裂，其中產(chǎn)生了空隙。

“這種情況就像一輛擁擠的火車，”共同作者Hajime Tanaka說道，“跟密度變化有關(guān)的動(dòng)態(tài)和彈性不對(duì)稱性可以引發(fā)剪切變形和密度波動(dòng)之間的聯(lián)系。”

根據(jù)作者或該研究，這些結(jié)果應(yīng)該用實(shí)驗(yàn)來證實(shí)，這也將幫助材料科學(xué)家更好地理解斷裂的啟動(dòng)。