3D-изображения показывают связь между сложностью трещин и прочностью материала

3D-изображения показывают связь между сложностью трещин и прочностью материала
3D-изображения показывают связь между сложностью трещин и прочностью материала

Ученые создали трещины в образцах гидрогеля с помощью стандартного швейцарского армейского ножа. Кредит: EMSI EPFL CC BY SA.

В последний раз, когда вы уронили любимую кружку или сидели на очках, вы, возможно, были слишком заняты, чтобы обратить внимание на замысловатый узор трещин, появившихся на разбитом предмете. Но отслеживание формирования таких шаблонов — это специальность Джона Колински и его команды из Лаборатории инженерной механики мягких интерфейсов (EMSI) Инженерной школы EPFL.

Они стремятся понять, как трещины распространяются в хрупких твердых телах, что важно для разработки и испытаний безопасных и экономичных композитных материалов для использования в строительстве, спорте и аэрокосмической технике.

Но традиционные подходы механики к анализу образования трещин предполагают, что трещины плоские, то есть что они образуются на двумерной поверхности материала. На самом деле, простые плоские трещины — это лишь верхушка айсберга: большинство трещин — как и в повседневных хрупких твердых телах, таких как стекло, — распространяются на трехмерную сеть гребней и других сложных элементов.

Из-за непрозрачности материала и скорости образования трещин наблюдать эту сложность в реальном времени крайне сложно. Но теперь, вооружившись швейцарским ножом и конфокальным микроскопом, Колински и его команда сумели сделать именно это — и в процессе они обнаружили положительную корреляцию между сложностью трещин и прочностью материала.

«Энергия, необходимая для возникновения трещин, традиционно считалась свойством материала, но наша работа дает уникальное понимание ключевой роли геометрии: а именно, что за счет увеличения сложности геометрических особенностей на вершине трещины материал можно сделать более жестким. , потому что для развития сложной трещины требуется больше энергии деформации, чем для простой», — говорит Колински. «Это подчеркивает важный пробел в современной теории трехмерных трещин».

Результаты лаборатории недавно были опубликованы в Физика природы.

3D-изображения показывают связь между сложностью трещин и прочностью материала

Визуализация трехмерных данных фронта трещины в хрупком гидрогеле, записанных с помощью конфокального флуоресцентного микроскопа. Кредит: EMSI EPFL CC BY SA.

Фундаментальная связь между длиной и силой

Метод исследователей заключался в создании очень тонких срезов четырех различных гидрогелей и эластомера. Прозрачные и хрупкие, но легко деформируемые и измеряемые без разрушения, гидрогели послужили показателем для понимания того, как образуются трещины в стекле и хрупком пластике. Эластомер также был заменителем таких материалов, как резина и силиконовые полимеры.

Хотя экспериментальные трещины наблюдались с помощью современного конфокального микроскопа, они были созданы с помощью стандартного швейцарского армейского ножа: срезное действие ножниц устройства естественным образом приводило к образованию геометрически сложных трещин в образцах гидрогеля.

Используя специальное устройство, разработанное командой EMSI для контроля выравнивания и загрузки образцов, с помощью конфокального микроскопа была создана серия флуоресцентных изображений, а затем сложена для создания уникальной трехмерной карты каждой поверхности разрушения.

«Люди давно знали, что трещины могут стать сложными, если посмотреть на поверхности излома постфактум, но теряется понимание условий нагрузки, когда возникла трещина, или того, каким силам подвергался образец», — объясняет Колински. «Наш инновационный метод визуализации позволил точно охарактеризовать эту взаимосвязь на месте».

Короче говоря, эти эксперименты показали, что энергия деформации, необходимая для возникновения трещин в образце, прямо пропорциональна длине кончиков трещин. Это говорит о том, что повышенная геометрическая сложность трехмерной трещины приводит к увеличению поверхности разрушения по мере продвижения трещины, что требует дополнительной энергии деформации для ее продвижения.

В другом эксперименте исследователи показали, как, когда более гладкая трещина приближалась к жесткому препятствию, встроенному в образец, плоская симметрия трещины нарушалась, увеличивая как длину вершины трещины, так и энергию, необходимую для продвижения трещины вперед.

«Тот факт, что мы можем определить, как возникает геометрическая сложность при такой неоднородности материала, может мотивировать новые подходы к проектированию», — говорит Колински. «Наша работа также подчеркивает важность осторожности при проведении испытаний материалов, поскольку теперь мы знаем, что любое геометрическое отклонение от плоского фронта трещины может привести к неправильному измерению — и потенциально опасному завышению — вязкости материала».

Больше информации:
Сложная геометрия фронта трещины повышает ударную вязкость хрупких тел, Физика природы (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02435-x

Предоставлено Федеральной политехнической школой Лозанны.

Цитирование: 3D-изображения показывают связь между сложностью трещин и прочностью материала (22 марта 2024 г.), получено 23 марта 2024 г. с https://techxplore.com/news/2024-03-3d-images-reveal-link-complexity.html.

Этот документ защищен авторским правом. За исключением любых добросовестных сделок в целях частного изучения или исследования, никакая часть не может быть воспроизведена без письменного разрешения. Содержимое предоставлено исключительно в информационных целях.

Поделиться в соцсетях