CC BY
1
МЕХАНИЗМ И КРИТЕРИИ ВЕТВЛЕНИЯ ТРЕЩИНЫ
Алексеев А.А.
Алексеев Анисий Анисиевич - кандидат технических наук, ФГБУН ФИЦ «Якутский научный центр СО РАН» Институт физико-технических проблем Севера имени В.П.
Ларионова СО РАН, г. Якутск
Аннотация: выполнен анализ критериев и механизмов ветвления трещины. Рассмотрены работы по исследованию ветвления трещины в полимерах, 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 трещины, полимеры.
MECHANISM AND CRITERIA OF CRACK BRANCHING
Alexeev A.A.
Alekseev Anisiy Anisievich - PhD in Technical Sciences FEDERAL RESEARCH CENTER "YAKUT SCIENTIFIC CENTER SB RAS " LARIONO V INSTITUTE OF THE PHYSICAL-
TECHNICAL PROBLEMS OF THE NORTH SB RAS, YAKUTSK
Abstract: the analysis of the criteria and mechanisms of crack branching is performed. The investigations on the study of crack branching in polymers, the criteria of crack branching as a dynamic stress intensity factor, and the crack velocity are considered. It is established that a crack during branching in brittle plastics reaches a maximum propagation velocity of V*=500-800 m/s. Keywords: crack, branching, crack velocity, plastics.
Ветвление трещины наблюдается в материалах различной природы: стекле, полимерах [1-5], металлах [6], 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
В работах K. Ravi-Chandar, W.G. Knauss [1], были проведены эксперименты по динамическому нагружению плоских прямоугольных образцов с боковой трещиной из пластика Homalite-100, с измерением скорости трещины и коэффициента интенсивности напряжений Кю высокоскоростным фотографированием, 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. При движении трещины коэффициент интенсивности напряжений (КИН) динамический Кю изменяется значительно. 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), 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, трещина распространялась по прямой со скоростьью до 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 Va=400 м/с возникает тенденция к ветвлению трещины, при этом чем выше уровень номинального напряжения □, тем раньше
начинается ветвление трещины и увеличивается число ветвлений.
В работе E. Sharon, J. Fineberg [3] проведены эксперименты по квазистатическому нагружению на растяжение тонких плоских образцов из ПММА с боковой трещиной, с инициацией трещины острым инструментом. Проводилось измерение скорости трещины покрытием стороны образца тонким проводящим слоем. Показано, что при V<340 м/c (0,36VR) разрушение описывается одиночной трещиной, выше критической скорости появляются маленькие боковые ветви, это сопровождается изменением поверхности разрушения. При V=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, 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 V<270 м/c рельеф поверхности разрушения - зеркальный, 270 м^^<450 м/c - матовый, V>450 м/c - шероховатый. Установлена однозначная связь между динамическим коэффициентом интенсивности напряжений KID и скоростью трещины V при малых скоростях, показано, что при высокой скорости V>270 м/c однозначность между KID и V нарушается воздействием отраженных волн.
В работах О.Б. Наймарка [5], С.В. Уварова при испытаниях предварительно нагруженных образцов □ = 10-70 МПа c инициацией трещины острым инструментом, регистрацией скорости трещины, поля напряжений, экспериментально обнаружено существование критических скоростей распространения трещин в ПММА: предельная скорость распространения трещины в квазистатическом режиме Vc=220 м/c и скорость начала микроветвления VB=450 м/c, при скорости 0,4VR=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, согласно данным работам [1-5], трещина при ветвлении в номинально хрупких материалах - хрупких пластиках достигает предельной скорости распространения V=500-800 м/с (рис. 1). Данные результаты подтверждаются последними работами Алексеева А.А. [7], где установлено, что скорость ветвления одиночной трещины в ПММА составляет 500-800 м/с, а при множественном ветвлении трещины и параллельном движении фронта нескольких трещин составляет 750-920 м/с. Показано, что скорость ветвления трещины является критической (предельной) скоростью распространения трещины, и энергия, поступающая в вершину движущейся трещины, расходуется не на увеличение скорости трещины, а на создание новых трещин путем ветвления.
900
800 700
U
f- 600 •й х
I 500 о> а. н
i 400
о о
| 300 о
200
100 4\|||:;;|
0 -I-i-i-i-i-i-i-i-i--
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 с.
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. К.Н. Большее, 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.
