開始的時候就已經決定了結束時的樣子，世界上存在這樣的破壞現象。日本海洋研究開發機構數理科學與先端技術研究開發中心的广部紗也子研究員和小國健二主任等人組成的研究團隊，透過對殘留應力場中的動態斷裂進展進行數量分析，全球首次並幾乎完美地再現了化學強化玻璃瞬間斷裂的程序。此次開發的殘留應力場中的動態斷裂進展分析方法不僅可用於強化玻璃的斷裂程序，還有助於明確極限環境下的材料斷裂機制，以及殘留應力場引發新地面震動的機制。广部研究員表示：「從強化玻璃的斷裂程序到結果都進行了精確的評估，可以揭示隨着斷裂累積應變能釋放程序中的普遍物理可用能現象，因此有望用於各種應用」。相關成果已經發布在Physical Review Letters和Physical Review E上。
化學強化玻璃的斷裂程序。左爲實驗結果，右爲數量分析。從殘留應力水平較低的Case 1到較高的Case 3的斷裂情況。供圖：日本海洋研究開發機構
普通玻璃受到輕微撞擊就會破裂，但智慧型手機等使用的化學強化玻璃則不容易破裂。這是因爲透過對玻璃表面進行離子交換使其產生了強大的壓縮應力，從而實施了高強度。不過，表面存在壓縮應力也就意味着内部積累了拉伸應力。因此，當化學強化玻璃内側出現裂紋時，積累的應力會被釋放出來，化學強化玻璃會瞬間壓碎。
化學強化玻璃瞬間壓碎時，玻璃内部會以最高2000米/秒的速度快速產生裂紋，裂縫成長引發殘留應力的釋放和再分配，裂縫成長和殘留應力的釋放在玻璃中產生的波動會以奈秒級的時間尺度相輔作用，同時裂紋朝着難以預料的方向反復分叉和擴展。利用以往的方法很難分析這種複雜的殘留應力場中的動態斷裂程序。
因此，研究團隊透過在基於小國主任開發的粒子離散化有限元法（PDS-FEM：Particle Discretization Scheme Finite Element Method）的粒子離散化方法中，針對伴有殘留應力的固體連續體的動態行為應用哈密頓函數，分析了複雜的殘留應力場中的動態斷裂程序。
研究團隊向擁有不同強化等級的寬30毫米、高2毫米、厚0.7毫米的化學強化玻璃施加一定的衝擊，詳細觀察了斷裂行為。然後利用新開發的分析方法，透過分割成寬約4000網眼、高約260網眼、厚約100網眼的極細網格進行了數量分析，充分再現了與實驗中產生的應力水平相對應的裂紋。另外，透過使數量分析結果以奈秒級時間解析度實施視覺化，還揭示了在實驗中無法拍攝到的物理量的詳細行為。此外還明確了斷裂結束後仍殘留在玻璃片内部的殘留應力的分佈。
由此，研究團隊在全球首次成功地進行了數量分析，幾乎完美再現了殘留應力場中的動態斷裂進展程序。广部研究員表示：「這些結果能夠表明，一些斷裂現象在開始時就有一個預定的結束狀態」。
此次的分析方法可以再現累積應變能隨着斷裂釋放的程序中普遍觀察到的現象，因此，包括金屬焊接部位的斷裂、各種材料的乾裂、混凝土材料的熱收縮開裂、發生塑性變形的構造物健全性評估及高溫高壓下的工業產品傷害等在内，該分析法可應用於殘留應力發揮重要作用的各種工業問題。
或許能預測地面震動的發生方式
小國主任表示：「目前有觀點認爲地面震動是應變在斷層及其周邊積累並釋放而引起的，地面震動斷層滑到堅硬且難以滑動的位置後停止滑動。不過，如果能推算出地面震動開始時累積應變的間距分佈及破壞斷層各點所需的能量的間距分佈，也許就可以利用此次的分析方法預測地面震動的發生方式。今後打算與探勘地殼結構的研究團隊等合作，嘗試預測某個地點的地面震動斷層行為」。
原文：《科學新聞》
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
