在循环剪切变形下玻璃的疲劳破坏

为何反复的轻推也能破坏坚固材料

桥梁、手机屏幕和飞机零件并非总因一次猛烈打击而失效，更多情况下是由于长期受到大量较小的冲击而逐渐损坏。这个缓慢变弱的过程称为疲劳，在无序材料如玻璃中尤其神秘，因为它们缺乏金属那样整齐的晶体结构。在这项研究中，研究者通过大规模计算机模拟以微观细节观察模型玻璃在来回剪切下的响应——揭示了它们最终失效的明确规律，以及如何利用早期迹象预测破坏。

在节律性应力下观察模型玻璃

研究团队在非常低的温度下对若干种玻璃材料进行了循环变形模拟：想象反复而温和地在方块顶面上前后滑动。对于每一档变形强度，他们追踪材料在“失效”之前能承受多少个加载循环——也就是在粒子开始扩散性游走并在样本中形成永久性剪切带（一个狭窄的剧烈滑移区）之前。他们监测了材料中储存的能量、局部结构的细微变化以及单个粒子远离原始位置的位移。失效表现为能量和粒子运动的突然跃变，从而允许研究者为每个模拟样本定义精确的失效时间。

材料寿命的一个明确规律

通过改变施加在玻璃上的剪切强度，作者发现了一个简单而有力的规律。当每个循环中的最大剪应变仅略高于一个临界的“屈服”水平时，失效所需的循环次数随着施加剪应变的减小而急剧增长。事实上，平均失效时间按一个干净的幂律发散：它与施加应变与屈服应变之差的平方的倒数成比例（−2 指数）。这一 −2 指数在不同系统尺寸、不同样品制备方式，甚至在非常不同的玻璃模型（包括类似网络结构的硅酸盐）中均具有鲁棒性。该行为与若干现有理论预测不同，这些理论给出了其他指数，突显出当前对非晶固体疲劳的模型仍不完整。

制备历史如何改变耐久性

玻璃的历史——例如冷却的速度或退火的精细程度——强烈影响其在固定变形水平下承受循环加载的时长。退火更充分的玻璃起始于更低能量、更稳定的构型，因此能承受更多循环才会失效。随着退火程度的提高，失效时间先呈现出类似阿累尼乌斯（Arrhenius）的依赖，典型于热激活过程，然后转变为更陡峭的超阿累尼乌斯增长。该跨越与玻璃物理中先前识别的一个特征温度相吻合，该温度标志着材料动力学性质的改变。实际上，这意味着使玻璃更稳定能显著推迟疲劳失效，但这种延迟由基础的玻璃物理规律控制，而非简单的工程法则。

沿隐蔽路径积累的损伤

为理解微观机制，研究者用两种互补方式量化“损伤”：粒子经历不可逆重排的程度，以及每个循环以热耗散形式损失的机械能量。他们发现发生塑性运动的粒子高度不均匀，聚集在某些区域。随着循环进行，越来越多的粒子加入这些簇，直到样本中近似固定比例的粒子发生了这种运动；在此时，簇在系统中连通并形成剪切带，触发失效。累积的可动粒子的这种渗流（percolation）一致发生在失效之前，并作为明确的前兆，相比之下，仅看瞬时可动粒子的快照则不那么具有预测性。

用早期循环的能量损失预测失效

基于能量的损伤描绘了互补的图景。每条应力—应变环所围成的面积——即每周期耗散能量——在材料仍完整时很小并大致恒定，而在玻璃屈服后跃增。当失效发生前累积耗散能量与失效时间作图时，数据在许多样本与条件下遵循稳健的幂律关系。由于在失效前每周期的损伤率几乎恒定，该关系允许从最初几次循环的能量损失率推断最终的失效时间。在模拟测试中，基于早期循环数据的预测与实际失效时间非常吻合，这表明在真实非晶材料中预测疲劳寿命具有可行的途径。

这对日常材料意味着什么

总体而言，这些发现为无序固体的疲劳提供了微观图景：反复的轻微剪切逐步激活小尺度的不可逆粒子重排，这些重排聚集成贯穿系统的通道；而这一过程所需的时间服从与加载强度及制备历史相关的简单缩放规律。关键是，研究表明仅通过监测初始加载循环中的微观运动或总体能量损失，就有可能估算玻璃材料在反复应力下能维持的寿命。这项工作弥合了抽象玻璃物理与为经受多年微小重复变形的技术应用设计更耐久材料之间的鸿沟。

引用: 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

关键词: 疲劳破坏, 非晶玻璃, 循环剪切, 塑性重排, 损伤预测