开始的时候就已经决定了结束时的样子，世界上存在这样的破坏现象。日本海洋研究开发机构数理科学与先端技术研究开发中心的广部纱也子研究员和小国健二主任等人组成的研究团队，通过对残余应力场中的动态断裂进展进行数值分析，全球首次并几乎完美地再现了化学强化玻璃瞬间断裂的过程。此次开发的残余应力场中的动态断裂进展分析方法不仅可用于强化玻璃的断裂过程，还有助于明确极限环境下的材料断裂机理，以及残余应力场引发新地震的机制。广部研究员表示：“从强化玻璃的断裂过程到结果都进行了精确的评估，可以揭示随着断裂累积应变能释放过程中的普遍物理现象，因此有望用于各种应用”。相关成果已经发布在Physical Review Letters和Physical Review E上。
化学强化玻璃的断裂过程。左为实验结果，右为数值分析。从残余应力水平较低的Case 1到较高的Case 3的断裂情况。供图：日本海洋研究开发机构
普通玻璃受到轻微撞击就会破裂，但智能手机等使用的化学强化玻璃则不容易破裂。这是因为通过对玻璃表面进行离子交换使其产生了强大的压缩应力，从而实现了高强度。不过，表面存在压缩应力也就意味着内部积累了拉伸应力。因此，当化学强化玻璃内侧出现裂纹时，积累的应力会被释放出来，化学强化玻璃会瞬间破碎。
化学强化玻璃瞬间破碎时，玻璃内部会以最高2000米/秒的速度快速产生裂纹，裂纹扩展引发残余应力的释放和再分配，裂纹扩展和残余应力的释放在玻璃中产生的波动会以纳秒级的时间尺度相互作用，同时裂纹朝着难以预料的方向反复分叉和扩展。利用以往的方法很难分析这种复杂的残余应力场中的动态断裂过程。
因此，研究团队通过在基于小国主任开发的粒子离散化有限元法（PDS-FEM：Particle Discretization Scheme Finite Element Method）的粒子离散化方法中，针对伴有残余应力的固体连续体的动态行为应用哈密顿函数，分析了复杂的残余应力场中的动态断裂过程。
研究团队向拥有不同强化等级的宽30毫米、高2毫米、厚0.7毫米的化学强化玻璃施加一定的冲击，详细观察了断裂行为。然后利用新开发的分析方法，通过分割成宽约4000网眼、高约260网眼、厚约100网眼的极细网格进行了数值分析，充分再现了与实验中产生的应力水平相对应的裂纹。另外，通过使数值分析结果以纳秒级时间分辨率实现可视化，还揭示了在实验中无法拍摄到的物理量的详细行为。此外还明确了断裂结束后仍残留在玻璃片内部的残余应力的分布。
由此，研究团队在全球首次成功地进行了数值分析，几乎完美再现了残余应力场中的动态断裂进展过程。广部研究员表示：“这些结果能够表明，一些断裂现象在开始时就有一个预定的结束状态”。
此次的分析方法可以再现累积应变能随着断裂释放的过程中普遍观察到的现象，因此，包括金属焊接部位的断裂、各种材料的干裂、混凝土材料的热收缩开裂、发生塑性变形的构造物健全性评估及高温高压下的工业产品损伤等在内，该分析法可应用于残余应力发挥重要作用的各种工业问题。
或许能预测地震的发生方式
小国主任表示：“目前有观点认为地震是应变在断层及其周边积累并释放而引起的，地震断层滑到坚硬且难以滑动的位置后停止滑动。不过，如果能推算出地震开始时累积应变的空间分布及破坏断层各点所需的能量的空间分布，也许就可以利用此次的分析方法预测地震的发生方式。今后打算与勘探地壳结构的研究团队等合作，尝试预测某个地点的地震断层行为”。
原文：《科学新闻》
翻译编辑：JST客观日本编辑部
