什么不会使它们破裂会使它们变得更坚固-为什么某些材料在压力下会变得更坚固

挪威卓越中心探索毛孔如何影响各种材料，包括混凝土。

听起来有些奇怪，但是有些材料在承受压力时会变得更坚固。为什么会这样，为什么它们最终仍会失败？

哲学家弗里德里希·尼采说，不会杀死我们的东西会使我们变得更强大。谁会想到类似的概念可能适用于材料？

为了说明，我们必须从几乎一样奇怪的事情开始。

亚历克斯·汉森（Alex Hansen）教授说：“混凝土之所以如此坚固，是因为它是如此之弱。”现在，我们的头可能已经开始有点旋转了。

汉森担任PoreLab负责人的角色并非偶然，这是PoreLab的负责人。PoreLab是NTNU和奥斯陆大学（UiO）杰出研究卓越中心。PoreLab的研究人员大多使用多孔材料（例如混凝土）工作，而在他们的世界中，这种事情可能会发生。除其他事项外，研究人员考虑了承受压力的材料中会发生什么，而对于那些没有开始的人，他们的一些发现有些出乎意料。

例如，为什么具体以这种方式起作用？

传播力量

混凝土看​​起来很紧凑，但实际上充满了小孔。这些孔使材料更坚固。汉森教授从以下基础开始：

他说：“当您的汽车挡风玻璃上出现裂缝时，您可以通过在裂缝上钻一个孔来阻止裂缝扩散。”

未经处理的裂纹在裂纹尖端处集中的力很高。如果您在此时钻孔，力会在孔周围扩散，从而减轻玻璃板上的压力。

在多孔混凝土中也会发生类似的情况。如果混凝土中有裂缝，则由于所有孔，力会分散到整个材料中。

17世纪，在特隆赫姆的克里斯蒂安斯顿堡垒的建造者将死动物的遗体放入建筑材料中。随着动物的旋转和排放气体，它们使材料变得多孔，因此更坚固。

至少从中世纪开始，人们就对这些力的机制有所了解。17世纪，在特隆赫姆的克里斯蒂安斯顿堡垒的建造者将死动物的遗骸放入了材料中。随着动物的旋转和排放气体，它们使材料变得多孔，因此更坚固。

强零件保护弱零件

但这并不能解释为什么材料在压力下会变得更坚固。这个想法面对直觉的想法，因为材料不应该变得更弱吗？这是怎么回事？

NTNU物理系的博士候选人JonasTøgersenKjellstadli可以为我们解释该过程。他与汉森，研究员Srutarshi Pradhan和博士学位候选人Eivind Bering（来自同一部门）合作研究了这一现象。

图片显示了裂缝（从黑色到白色的过渡）如何穿过两个“胶合”在一起的塑料板。它们经过喷砂处理，然后放入烤箱中，以便在它们之间有接触的地方融合在一起。这就造成了一种接近理论模型的情况。通过查看裂缝前沿的移动方式，PoreLab可以测试其理论。插图：奥斯陆大学物理系KnutJørgenMåløy

Kjellstadli说：“材料的坚固部分围绕着薄弱的部分并加以保护。”

尽管看起来像混凝土，但像混凝土这样的材料并不是到处都具有同样的强度。明显均匀的材料具有弱区和强区。这些区域随机分布在整个区域。

在Kjellstadli使用的计算机模型中，强区分布在材料中。当纤维受到应力作用时，它们可以保护薄弱区域。这发生的程度很高，以至于材料被稳定了，并且变得不太容易受到这种应力的影响。

该效果仅在强弱区域在整个材料中分布不均的情况下适用。它仅适用于特定阈值。

材料不断受到应力达到某个最大阈值或另一个最大阈值，此时应力的作用力将不再被吸收。迟早，该材料将灾难性地突然失效。

我们可以预测什么时候会破裂吗？

现在，所有这些人都是物理学家，所以您会认为他们将大部分时间都花在研究应力过程的基本力学上，而不是用于任何实际用途。这部分是正确的。

有时地雷倒塌。我们可以预测什么时候？

但是他们也预见了可能的应用。如果您可以使用此基础知识来预测材料何时会失效？压力何时最终变得太大？

汉森说：“我们使用与观察到材料因应力负荷而增强时相同的计算机模型。”

为此，他们添加了实际的实验，一直持续到应力负载对材料变得太大为止。

也许有可能

自2000年以来，汉森（Hansen）听说南非的煤矿会突然倒塌以来，对这个话题一直很感兴趣。将来有可能将理解这些相同原理用作隧道建设的辅助工具，或用于预测地震。这些想法仍是推测性的，它们的应用还处于遥不可及的未来。但是研究人员的野心很高。

汉森说：“我们正在为灾难性故障何时出现建立通用模型。

他们尚未知道这个目标是否可能实现，但这正是PoreLab负责进行的那种高风险研究。如果成功的话，潜在的收益是巨大的。

“在我们的计算机模型中，我们观察到材料的弹性能在失效之前就达到了峰值，” PoreLab研究人员Pradhan说。

自2000年开始在印度加尔各答萨哈核物理研究所的Bikas K. Chakrabarti教授任教以来，他一直在专门研究材料何时破裂。

“我们相信这有可能扩展到实际情况中，” Pradhan说。

毕竟，他们的目标并非并非不可能。

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参考：

“局部应力增强能否在断裂过程中引起稳定性？第一部分：《表观稳定性》，作者：乔纳斯·K·耶尔斯塔德利（Jonas T. Kjellstadli），埃文德·白令（Eivind Bering），马丁·亨德里克（Martin Hendrick），Srutarshi Pradhan和亚历克斯·汉森（Alex Hansen），2019年7月24日，物理前沿。
10.3389 / fphy.2019.00105

“局部应力增强能否在断裂过程中引起稳定性？第二部分：《屏蔽效应》，乔纳斯·K·耶尔斯塔德利（Jonas T. Kjellstadli），埃文德·白令（Eivind Bering），斯鲁塔希·普拉丹（Srutarshi Pradhan）和亚历克斯·汉森（Alex Hansen），2019年4月26日，物理前沿。

Srutarshi Pradhan，Jonas T. Kjellstadli和Alex Hansen的“弹性能的变化表明即将发生灾难性故障的可靠信号”，物理前沿，2019年3月9日。