Физики смоделировали возникновение трещин на атомном уровне
|
Детальное численное моделирование, проведенное немецкими и американскими физиками, показало, что форма трещины самым непосредственным образом связана со свойствами материала на предельных величинах деформации. Также выяснилось, что в некоторых материалах трещины могут распространяться быстрее поверхностных рэлеевских волн. Это противоречит общепринятой теории, однако согласуется с недавно проведенными экспериментами.
Построить исчерпывающую теорию распространения трещин в твердых материалах физики пытаются уже давно. Однако ряд важных эффектов, которые проявляются в экспериментах, постоянно ускользает от теоретического описания. Один из таких эффектов — изменение формы трещины в хрупком материале при увеличении скорости ее распространения. До некоторого предела трещина оказывается зеркально гладкой, но потом неожиданно становится шероховатой, а при дальнейшем росте скорости начинает ветвиться (см. рис. ниже).
Трудности вызваны тем, что большинство теорий основано на рассмотрении малых деформаций, что предполагает линейную связь между натяжением и сдвигом. Однако в реальных твердых веществах вблизи движущейся точки растрескивания деформации нельзя считать малыми, а связь между натяжением и сдвигом становится сильно нелинейной. Разобраться в этом процессе удалось путем детального численного моделирования образования трещин на атомарном уровне. Эту работу выполнили ученые из Института исследования металлов им. Макса Планка (Германия) и Массачусетского технологического института (США).
В пресс-релизе Института Макса Планка говорится, что численное моделирование помогло внести уточнения в теорию распространения трещин, так что она стала описывать неустойчивости, которые приводят к изменению рельефа трещин. Например, такие материалы, как керамика, металл или кремний, становятся значительно пластичнее перед самым разрывом межатомных связей. Это приводит к локальному уменьшению скорости волн и замедлению подвода энергии к точке развития трещины. В результате уменьшается и скорость, при которой возникает нестабильность в направлении распространения трещины.
|
Другой неожиданный результат, полученный в ходе моделирования, — возможность необычно быстрого распространения трещин в эластичных материалах, подобных резине. При небольших усилиях такие материалы легко деформируются, однако с ростом величины деформаций они становятся значительно жестче. Поскольку трещина развивается в области высокого натяжения, при котором жесткость материала повышается, она может продвигаться заметно быстрее, чем поверхностные рэлеевские волны, которые вызывают лишь незначительные деформации. До сих пор теория не допускала, что трещины не могут распространяться быстрее рэлеевских волн, хотя уже были эксперименты, которые указывали на такую возможность.
Авторы считают, что их модель дает исчерпывающее описание динамики образования трещин. Эти новые результаты имеют значение для многих научных и инженерных дисциплин от разработки наноматериалов и строительства до исследования природы землетрясений.
