アモルファス物質の疲労破壊の機構を解明

　疲労破壊は、繰り返し荷重を受けた材料が徐々に局所的かつ構造的な損傷を受け、最終的に破壊に至る現象のことをさします。自動車や航空機に使用される材料を長期間安定に保つために極めて重要です。このような損傷を引き起こす最小のひずみ振幅（臨界ひずみ振幅は、単純な負荷のもとでの材料が降伏するひずみよりもはるかに小さいことが知られています。このことから、疲労破壊の閾値は連続荷重下での単純破壊の閾値よりもはるかに小さいと考えられてきました。

　田中 肇 東京大学名誉教授（東京大学 先端科学技術研究センター シニアプログラムアドバイザー）と東京大学 大学院工学系研究科の黒谷 雄司 博士課程大学院生（研究当時）らは、アモルファス物質の疲労破壊現象について、流体力学の基礎方程式と物質の時間的な変化（ダイナミクス）を記述する構成方程式をもとに、物質の粘弾性的性質が物質の密度に依存することを考慮し、理論解析と方程式を数値的に解く方法を組み合わせることで、繰り返し単純ずり変形下での破壊挙動について研究を行ないました。この研究の特徴は、密度、変形（速度）、応力の複雑な結合を考慮し、アモルファス物質の周期的な変形の下での疲労破壊の物理機構を研究した点にあります。この結果、一般に考えられているものとは異なり、臨界ひずみ振幅、すなわち元の形状には戻れない変形（不可逆変形）の始まりは、疲労破壊と単純破壊で同じであることが示されました。これまで、単純破壊において不可逆変形の始まりを正確に測定することは実験上の困難から残念ながら実現されていません。今後その実験的な検出がなされ、この予測が実験的に立証されれば、長時間の疲労破壊実験を行わずとも、一回の単純変形による破壊の臨界ひずみの測定により、疲労破壊の臨界ひずみ振幅を予測できる可能性があり、アモルファス材料設計への応用が期待されます。

　本研究成果は、2022年10月11日（英国夏時間10:00am）に「npj Communications Materials」に掲載されました。