Израильские ученые объяснили, как разрушаются материалы

Ученые из Института Вейцмана впервые показали, как в природных и искусственных материалах образуются трещины и происходит разрушение.

Результаты исследований изложены в двух работах: в журнале Nature Communications и в журнале Physical Review Letters.

Ученые Института Вейцмана профессор Эран Бухбиндер и доктор Юрий Любомирский на протяжении семи лет искали принципы, которые определяют разрушение. В результате им удалось построить вычислительную модель растрескивания материала при растяжении.

Ученые отмечают, что все материалы природного происхождения и подавляющее большинство искусственных материалов неоднородны, хотя предыдущие модели обычно отталкивались от такого усреднения. Но если перейти на микроуровень ситуация меняется: одни области прочнее, другие – слабее и содержат больше микротрещин, то есть структура становится беспорядочной. Ученые показали, что трещины образуются по-разному в зависимости от приложенного напряжения.

При относительно небольшом напряжении материал ведет себя почти как однородный: если трещина возникает то, как правило, она одна и достаточно прямая. Это соответствует существующим теоретическим моделям. Но если мы продолжаем наращивать напряжение, картина меняется. Когда трещина доходит на области слабой прочности, трещина не "разгоняется", а наоборот тормозится: образуются ветви, они конкурируют друг с другом, и процесс растрескивания замедляется. Поскольку материалы почти всегда содержат такие слабые области, при анализе возможных разрушений и предсказании прочностных характеристик такое торможение необходимо учитывать. Если напряжение еще усилить, прочностные характеристики самого материала снова усредняются, трещина спрямляется, но у нее образуются "ступени". Они связаны уже не с материалом, а с микроколебаниями приложенного напряжения: сила, воздействующая на материал, не только его растягивает, но и немного "закручивает", создавая перпендикулярные сдвиги.

Любомирский говорит: "Наши результаты могут помочь в разработке материалов, устойчивых к катастрофическому растрескиванию. Мы показываем, что увеличение беспорядка может замедлить распространение трещин, и это важно для проектирования структур и физических систем. Природные материалы, такие как кости и зубы, эволюционировали, чтобы противостоять разрушению, и вполне возможно, что их внутренний беспорядок является одним из ключевых факторов их устойчивости. Здесь наши результаты помогают понять работу природы".