Forstå sprøde revner for at designe stærkere materialer

I et papir udgivet i Naturfysik , Northeastern University Department of Physics Arts and Sciences Distinguished Professor Alain Karma, i samarbejde med hans postdoktorale forskningsmedarbejder Chih-Hung Chen og professor Eran Bouchbinder fra Weizmann Institute of Science's Chemical Physics Department, opdaget mekanismen, der får revner til at opføre sig mærkeligt, når de spreder sig meget hurtigt i sprøde materialer. Resultaterne af denne undersøgelse vil hjælpe forskere med bedre at forstå, hvordan skrøbelige materialer, såsom glas, keramisk, polymerer, og knoglebrud - ofte katastrofalt - og hvordan man bedre kan designe materialer for at undgå fejl.

Karmas mål var at forstå, hvordan tingene går i stykker, da en primær måde materialer fejler på er gennem revnedannelse, som længe har været et problem inden for materialevidenskab, konstruktion, og produktudvikling. Mere specifikt, det samarbejdende forskerhold ønskede at forstå, hvordan de mekaniske egenskaber i området med høj spændingskoncentration omkring kanten af ​​en revne påvirker revnedynamikken.

"Mens lige revner kan, i princippet, race gennem et materiale lige så hurtigt som lydens hastighed, de når aldrig den hastighed af årsager, der er forblevet uhåndgribelige, " sagde Karma. "Vi har vist, at dette skyldes, at revner i sagens natur bliver ustabile, når deres hastighed er tilstrækkelig høj. Ustabilitet får revnespidsen til at slingre fra side til side og spore en bølget bane gennem materialet. Denne ustabilitet er fuldstændig gået glip af konventionelle teorier om fraktur, som alle antager, at forholdet mellem strækning og kraft inde i et materiale er lineært, hvilket betyder, at en fordobling af kraften fordobler mængden af ​​stræk. Vores arbejde viser, at denne antagelse bryder sammen nær revnespidsen og forklarer, hvordan det ikke-lineære forhold mellem stræk og kraft frembringer svingninger med en veldefineret periode, der kan relateres til materialeegenskaber."

Gennem denne forskning, Karma og hans kolleger udviklede en ny teori for at hjælpe forskere med at forudsige, gennem store computersimuleringer, dynamikken i en revne under forskellige forhold, som har potentialet til at hjælpe med at forstå, hvorfor og hvordan visse materialer fejler.

Med succes i denne forskning, Karma håber at fortsætte med mere relateret arbejde. "Denne undersøgelse brugte meget tynde plader af kvasi-2D-materialer. Vi planlægger at udvide denne undersøgelse til 3D-massematerialer. I bulk, ustabiliteten, der forhindrer revner i at bryde med lydens hastighed, sker ved en lavere revnehastighed end i 2D, men mekanismen forstås ikke, " han sagde.

For at belyse denne mekanisme, holdet planlægger at undersøge 3D-fænomenet mikroforgrening, når hovedrevnen deler sig i mange mikrorevner, at forstå dens oprindelse i bulkprøver af sprøde materialer. "Vi mener, at det ikke-lineære forhold mellem kraft og deformation er roden til mikro-forgreningsustabilitet, og vi tror, ​​vi kan løse det problem, " sagde Karma.