CC BY
2
BRANCHING RATE OF CRACKS IN SOLIDS Alekseev A.A. (Russian Federation)
Alekseev Anisiy Anisievich - candidate of technical sciences, INSTITUTE OF PHYSICAL AND TECHNICAL PROBLEMS OF THE NORTH SB RAS NAMED AFTER. V.P. IARIONOVA FEDERAL STATE BUDGETARY INSTITUTION OF SCIENCES FEDERAL RESEARCH CENTER " YAKUTIAN
SCIENTIFIC CENTER SB RAS", YAKUTSK
Abstract: an analysis of the criteria and mechanisms of crack branching has been performed. Works on the study of crack branching in polymers and steel, fractographic study of the fracture surface are considered; crack branching criteria such as dynamic stress intensity factor, crack speed. It has been established that a crack during branching in brittle plastics reaches a maximum propagation speed V*=500-800 m/s. Keywords: crack, branching, crack speed, vessel.
СКОРОСТЬ ВЕТВЛЕНИЯ ТРЕЩИНЫ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ Алексеев А.А. (Российская Федерация)
Алексеев Анисий Анисиевич - кандидат технических наук, Институт физико-технических проблем Севера СО РАН им. В.П. Ларионова ФГБУН ФИЦ «ЯНЦ СО РАН»,
г. Якутск
Аннотация: выполнен анализ критериев и механизмов ветвления трещины. Рассмотрены работы по исследованию ветвления трещины в полимерах и стали, фрактографическому исследованию поверхности разрушения; критерии ветвления трещины как динамический коэффициент интенсивности напряжений, скорость трещины. Установлено, что трещина при ветвлении в хрупких пластиках достигает предельной скорости распространения V* =500-800 м/с. Ключевые слова. Трещина, ветвление, скорость трещин, сосуд.
Ветвление трещины наблюдается в материалах различной природы: стекле, полимерах [1-5], металлах [6-7] скальных породах и др., однако, вопросы, связанные с установлением единого критерия и объяснением механизма ветвления трещины в твердых телах, остаются открытыми, а выводы разных авторов нередко противоречивы
Основополагающим по экспериментальному исследованию закономерностей разрушения при быстром распространении и ветвлении трещины является цикл работ K. Ravi-Chandar, W.G. Knauss [1], в которых в качестве объекта исследования применялся материал Homalite-100. Проведены эксперименты по динамическому нагружению плоских прямоугольных образцов с боковой трещиной на установке электромагнитного нагружения, с измерением скорости трещины и коэффициента интенсивности напряжений KID высокоскоростным фотографированием и теневым методом каустик. Установлено, что поверхность разрушения разделяется на зеркальную, матовую и перьевую зоны. Скорость трещины составляет в этих зонах: зеркальная - 220 м/с, в матовой и перьевой зонах - от 220 до 500 м/с при ветвлении трещины. Скорость трещины остается постоянной и независимой от возрастания, убывания или постоянства Kid. Коэффициент интенсивности напряжений Kid, напротив меняется значительно. Скорость, с которой трещина распространяется, определяется уровнем интенсивности напряжений при инициации. Показано, что ветвление трещины наступает при постоянной скорости трещины, и нет однозначной связи между КИН и скоростью трещины.
В работе С.В. Серенсена, Я. Немеца [2] были проведены эксперименты по статодинамическому нагружению тонких плоских образцов из полиметилметакрилата (ПММА) и эпоксидной смолы, с измерением скорости распространения трещины по принципу разрыва токонесущих проводников при пересечении их краем трещины. Ветвление трещины в образцах ПММА не было получено, при номинальных напряжениях ст=41,5 МПа и ст=62,5 МПа трещина распространялась по прямой, достигала скорости 450 м/с.. В образцах из эпоксидной смолы было получено ветвление трещины, с повышением уровня номинального напряжения увеличивалось начальное ускорение и скорость распространения трещины. При достижении скорости V*=400 м/с возникает тенденция к ветвлению трещины, при этом чем выше уровень номинального напряжения ст, тем раньше начинается ветвление трещины и увеличивается число ветвлений. При напряжении ст<38 МПа ветвления нет; при более высоких
ст>ст/10 л
напряжениях В на поверхности излома образца заметны следы интенсивного микроразветвления трещины и вырывание частиц материала.
В работе E. Sharon, J. Fineberg [3] проведены эксперименты по квазистатическому нагружению на
растяжение тонких плоских образцов из ПММА с боковой трещиной, инициация трещины проводилась лезвием. Проводилось измерение скорости трещины покрытием стороны образца тонким проводящим слоем. Показано, что при ¥<340 м/c (0,36VR) разрушение описывается одиночной трещиной, выше критической скорости появляются маленькие боковые ветви, это сопровождается изменением поверхности разрушения. При ¥=550 м/с меняется поверхность разрушения трещины, образуется шероховатая зона, ширина ветви становится равной ширине образца и трещина становится практически двумерной.
В работе И.Н. Бедия [4] проведены экспериментальные исследования кинетики быстрых трещин в пластинах из ПММА при нагружении импульсным давлением с вариацией амплитуды и длительности импульса. Использовались методы фотоупругости и каустик для регистрации динамических процессов при помощи сверхскоростной кинокамеры. Установлена связь между скоростью роста трещины и макроструктурными особенностями поверхности разрушения: при ¥<270 м/c рельеф поверхности разрушения - зеркальный, 270 м/с<¥<450 м/c - матовый, ¥>450 м/c - шероховатый. Показано, что ветвление трещины происходит при достижении коэффициентом интенсивности напряжений KD критической величины (Кю=Кш), которая соответствует предельной скорости распространения трещины V*=750 м/c -для пластины толщиной 5 мм К1В=4,5 МПа^м, толщиной 7,5 мм Кщ=5...5,5 МПа^м, толщиной 10 мм Кв=6,3...7,1 МПа^м. Установлена однозначная связь между динамическим коэффициентом интенсивности напряжений KD и скоростью трещины ¥ при малых скоростях, показано, что при высокой скорости ¥>270 м/c однозначность между KD и V нарушается воздействием отраженных волн.
В работах О.Б. Наймарка [5], С.В. Уварова при испытаниях предварительно нагруженных образцов о=10-70 МПа c инициацией трещины острым предметом, регистрацией скорости трещины, поля напряжений, экспериментально обнаружено существование критических скоростей распространения трещин в ПММА: предельная скорость распространения трещины в квазистатическом режиме ¥С=220 м/c и скорость начала микроветвления ¥В=450 м/c, при скорости 0,4 VR=530 м/с происходит резкий переход от прямолинейного распространения трещины к ее ветвлению. Каждой скорости соответствует качественное изменение поверхности разрушения и поля напряжений.
Таким образом, трещина при ветвлении в номинально хрупких материалах - хрупких пластиках достигает предельной скорости распространения ¥=500-800 м/с [1-5] (рис. 1). На данный момент до конца не установлен физический механизм перехода трещины от прямолинейного распространения к ветвлению [8], объясняющий существование экспериментально наблюдающейся предельной скорости распространения трещины ¥ .
о 5
3 х s
ф 2.
О О О.
о о
900 800 700 600 500 400 300 200 100 4
+ [C.B. Уваров] • [II H Бедий] [О Б. Н.ишарк] A [J. Flneberg ] ■ [ K.Ravi-C'liandar] X [С'.В. Серенсен ]
è
\ (
щ
•X ____________■____________ 3 X s 3
...........Ù I - а. i-Ф s z
i -H Ц S ai m
Зеркальная
Матовая
Перьевая
Шероховатая, образование микроветвей
Зоны на поверхности разрушения
Рис.1. Скорость трещины в хрупких полимерах на различных этапах распространения трещины.
Список литературы /References
1. K. Ravi-Chandar, W.G. Knauss. An experimental investigation into dynamic fracture. III. On steady-state crack propagation and crack branching // International Journal of Fracture. 1984. №26. P. 141-154.
2. Немец Я., Серенсен С.В., Стреляев В.С. Прочность пластмасс. М.: Машиностроение, 1970. 335 c.
3. E. Sharon, J. Fineberg. Microbranching instability and the dynamic fracture of brittle materials // Physical Review B. 1996. V.54, №10. P. 7128-7139.
4. Бедий И.Н. Кинетика быстрых трещин и их ветвление: Автореф. дисс... канд. техн. наук / ИПП АН УССР. Киев, 1990. 17 с.
5. О.Б. Наймарк, В.А. Баранников, М.М. Давыдова и др. Динамическая стохастичность и скейлинг при распространении трещины // Письма в ЖТФ. 2000. Т.26, Вып. 6. С. 67-77.
6. Финкель В.М. Физика разрушения. М.: Металлургия, 1970. 376 с.
7. А.А. Алексеев, А.И. Левин, А.С. Сыромятникова, К.Н. Большев, В.А. Иванов, З.Е. Петров. Ветвление трещины при разрушении цилиндрических оболочек из углеродистой стали внутренним давлением // Деформация и разрушение материалов. 2008. №12. С. 33 - 39.
8. К.Н. Большев, А.А. Алексеев, В.А. Иванов, А.С. Сыромятникова, А.М. Большаков, А.С. Андреев. Экспериментальное исследование скорости ветвления трещины в полимерах // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2018. Том 84. №4. С. 60-65.
