25.02.2025
Закономерности эволюции когезионной зоны динамически растущей трещины в хрупких и квазихрупких материалах
Хрупкие материалы склонны к разрушению путем распространения трещин со скоростями, составляющими десятки процентов (до 90%) от величины скорости волны Рэлея в соответствующем материале. Скорость и режим динамического роста трещины определяются сложными процессами в когезионной зоне – области у вершины трещины, где происходит подготовка разрушения. Ввиду малых размеров когезионной зоны и динамической природы процессов хрупкого разрушения экспериментальное выявление данной области является затруднительным. Еще более сложным является экспериментальное изучение динамики изменения размеров и напряженного состояния этой области в процессе роста трещины.
Научными сотрудниками лаборатории компьютерного конструирования материалов ИФПМ СО РАН теоретически исследованы особенности роста трещины продольного сдвига в хрупких и квазихрупких керамических материалах и показано, как динамика роста трещины связана с эволюцией когезионной зоны, в частности с изменением ее протяженности и напряженного состояния. Исследование проведено с использованием метода дискретных элементов и оригинальной модели разрушения, основанной на принципах структурно-кинетической теории прочности. Применяемая модель разрушения учитывает конечное время зарождения (инкубации) локального разрушения, что позволяет изучать различные режимы разрушения в рамках единого математического формализма.
В работе впервые показано, что общепринятый вид зависимости длины когезионной зоны от скорости распространения трещины (так называемое «Лоренцево» сокращение длины, когда длина когезионной зоны уменьшается с ростом скорости трещины по определенному степенному закону) нарушается в области низких и высоких скоростей. В частности, при высоких скоростях роста трещины, близких к скорости волны Рэлея, протяженность когезионной зоны не снижается до нуля, но стремится к конечному значению по сигмоидальному закону.
Анализ напряженного состояния когезионной зоны растущей трещины показал, что в хрупких материалах (характеризующихся малыми временами инкубации локального разрушения) изменение длины когезионной зоны имеет регулярный характер вследствие периодического образования и отделения областей высоких сдвиговых напряжений впереди вершины трещины («упругих вихрей»). В квазихрупких материалах, характеризующимся большими временами инкубации разрушения, частота образования «упругих вихрей» многократно возрастает. Это приводит к формированию протяженной области высоких сдвиговых напряжений перед вершиной трещины и определяет многократной возрастание длины когезионной зоны и «стохастический» режим изменения ее напряженного состояния.
Работа выполнена в рамках государственного задания ИФПМ СО РАН, тема номер FWRW-2021-0002.
Результаты исследования опубликованы в журнале Engineering Fracture Mechanics (IF: 4.7; Q1):
Shilko E.V., Grigoriev A.S. Understanding the properties of the cohesive zone in dynamic shear fracture // Engineering Fracture Mechanics. – 2025. – Vol. 315. – P. 110780. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2024.110780