Wpływ mikrostruktury materiału kruchego na rozwój pęknięć podkrytycznych na bazie ceramiki Al2O3

W pracy autorzy proponują metodę numeryczną modelowania rozwoju pęknięć w ceramice Al2O3 przy uwzględnieniu resztkowych sił kohezji (tzw. efekt mostkowania). Siły te występują pomiędzy nowo utworzonymi powierzchniami tuż za wierzchołkiem pęknięcia. Analiza numeryczna została wsparta eksperymentem oraz obliczeniami analitycznymi. W badaniach eksperymentalnych wykonano pomiary parametrów rozwoju pęknięć podkrytycznych, odporności na pękanie i wytrzymałości dla próbek w postaci belek o przekroju prostokątnym (z naciętymi karbami) poddanych trójpunktowemu zginaniu. W drugim etapie wykonana została symulacja komputerowa zjawiska rozwoju pęknięcia podkrytycznego z uwzględnieniem efektu mostkowania zachodzącego w tym procesie. W obliczeniach tych uwzględnione zostały wyniki badań eksperymentalnych pozwalających na analizę mikrostruktury o różnej wielkości ziaren. Na tym etapie do obliczeń wykorzystano pakiet oprogramowania metody elementów skończonych.

---

Finite element method was applied to considering crack-face bridging, the stress field and the stress intensity factor ahead of the crack tip in the single-edge notched bend (SENB) ceramics specimen. The crack intensity factor can be calculated from the relations between the bridging stresses and the crack opening displacement. The bridging stresses at a given interaction site depends on the crack opening displacement in that position, according to a strain softening curve, which is material property. In the numerical calculations the cohesive forces caused by the bridging effect were modeled with using non-linear elastic springs. Numerical calculations provide to obtain stress state due to the bridging effect in the cracking zone and the crack propagation in the SENB ceramics specimen. These stress states allows obtaining crack growth resistance curves for the Al2O3 ceramics. New approach of the numerical study has been performed to analysis of the cracking in the brittle and elastic materials with taking to consideration existing cohesive forces in the cracking zone. The proposed new numerical method is very practically and effective.