Отказ при утомлении стекол при циклической сдвиговой деформации

Почему многократные лёгкие толчки всё ещё могут разрушить твёрдые материалы

Мосты, экраны телефонов и детали самолётов могут ломаться не из‑за одного сильного удара, а из‑за множества более слабых воздействий с течением времени. Это медленное ослабление, называемое усталостью, особенно загадочно в стекловидных и других беспорядочных материалах, лишённых упорядоченной кристаллической структуры металлов. В этой работе исследователи используют крупномасштабные компьютерные моделирования, чтобы в микроскопическом масштабе проследить, как модельные стекла реагируют на многократный сдвиг туда‑обратно — что выявляет ясные закономерности того, когда они в итоге дают трещину, и как ранние признаки можно использовать для прогнозирования разрушения.

Наблюдение модельного стекла под ритмической нагрузкой

Команда смоделировала несколько типов стекловидных материалов при очень низкой температуре, деформируя их циклически: представьте себе, что верхнюю грань бруска нежно, но повторно сдвигают вперёд‑назад. Для каждого уровня деформации они отслеживали, за сколько циклов материал «ломается» — то есть когда частицы начинают вести себя диффузно, а через образец формируется постоянная сдвиговая полоса, узкая зона интенсивного скольжения. Они контролировали запасённую в материале энергию, тонкие изменения локальной структуры и величины смещений отдельных частиц от их исходных позиций. Отказ проявлялся резко — как внезапный скачок энергии и движения частиц, что позволяло исследователям точно определить время разрушения для каждого смоделированного образца.

Чёткое правило для времени выдержки материала

Варьируя силу сдвига, авторы обнаружили простый, но мощный закон. Когда максимальный сдвиг в цикле был лишь немного выше критического уровня «текучести», число циклов до разрушения резко увеличивалось при уменьшении прикладываемой деформации. Фактически среднее время до отказа расходилось по чистому степенному закону: оно масштабировалось как обратный квадрат разницы между приложенной деформацией и деформацией текучести. Этот показатель −2 устойчиво наблюдался при разных размерах системы, разных способах подготовки образцов и даже для весьма отличающихся моделей стекла, включая сетчатую кремнезёмную структуру. Такое поведение контрастирует с несколькими существующими теоретическими предсказаниями, предлагающими другие показатели степени, что подчёркивает неполноту современных моделей усталости в аморфных телах.

Как история приготовления меняет долговечность

История стекла — насколько медленно его охлаждали или насколько тщательно отжигали — сильно влияла на то, как долго оно выдерживало циклическую нагрузку при фиксированной деформации. Лучше отожжённые стекла, начинающие в более низкоэнергетических, более стабильных состояниях, выживали при гораздо большем числе циклов перед разрушением. По мере улучшения отжига время до отказа сначала следовало зависимости, похожей на зависимость Аррениуса, типичную для термально активируемых процессов, а затем переходило в ещё более крутой, сверх‑Аррениусовый рост. Этот переход совпадал с характеристической температурой, ранее отмеченной в физике стекол как метка изменения характера динамики материала. На практике это означает, что повышение стабильности стекол может значительно отложить усталостный отказ, но делает это в рамках глубинной физики стекловидных систем, а не простых инженерных правил.

Накопление повреждений в скрытых путях

Чтобы понять микроскопический механизм, исследователи измеряли «повреждение» двумя взаимодополняющими способами: насколько сильно частицы претерпевали необратимые перестановки и сколько механической энергии рассеивалось как теплоподобные потери в каждом цикле. Они обнаружили, что пластически движущиеся частицы делают это крайне неравномерно, образуя кластеры в определённых областях. По мере продолжения циклов кластерам присоединяется всё больше частиц до тех пор, пока почти постоянная доля всех частиц в образце не претерпит такие перемещения; в этот момент кластеры связываются по всему образцу и формируется сдвиговая полоса, запускающая разрушение. Эта перколяция накопленных мобильных частиц стабильно происходила незадолго до отказа и служила ясным предвестником, в отличие от снимков только моментально подвижных частиц, которые были менее предсказуемы.

Прогнозирование отказа по потерям энергии в ранних циклах

Оценка повреждений через энергию дала дополнительную картину. Площадь, ограниченная каждой петлёй «напряжение—деформация» — мера энергии, рассеиваемой за цикл — была мала и приблизительно постоянна, пока материал оставался целым, затем прыгала при наступлении текучести. Когда суммарная накопленная рассеиваемая энергия до начала отказа была нанесена против времени до разрушения, данные следовали устойчивому степенному закону для многих образцов и условий. Поскольку ущерб за цикл до отказа почти постоянен, эта зависимость позволяет вывести конечное время разрушения по скорости потерь энергии всего за первые несколько циклов. В тестах в пределах моделирования прогнозы на основе данных ранних циклов очень хорошо совпадали с фактическим временем отказа, что указывает на практический путь для предсказания срока службы при усталости реальных аморфных материалов.

Что это значит для повседневных материалов

Вместе эти результаты дают микроскопическую картину усталости в беспорядочных телах: многократный мягкий сдвиг постепенно активирует небольшие необратимые перестановки частиц, которые собираются в проходящие через всю систему связные пути, а время, необходимое на это, подчиняется простым масштабным законам в зависимости от нагрузки и истории приготовления стекла. Существенно то, что работа показывает: наблюдая либо микроскопическое движение, либо общие потери энергии всего в начальных циклах, можно оценить, как долго стекловидный материал прослужит при повторных нагрузках. Это помогает сократить разрыв между абстрактной физикой стекол и практическим проектированием более долговечных материалов для технологий, которым предстоит выдерживать многие годы мелких, повторяющихся деформаций.

Цитирование: Maity, S., Bhaumik, H., Athani, S. et al. Fatigue failure in glasses under cyclic shear deformation. Nat. Phys. 22, 402–408 (2026). https://doi.org/10.1038/s41567-026-03174-x

Ключевые слова: усталостный отказ, аморфные стекла, циклический сдвиг, пластические перестановки, прогнозирование повреждений