Tensile strength of the brittle materials, probabilistic or deterministic approach?

Abstract

For various loading rates we estimated the activated defect localization in Modified Brazilian Disk (MBD) type glass specimens in comparison with standard spherical glass specimens. Specimen geometry can considerably affect the mechanical response of material, especially brittle ones, which are very sensitive to the distribution of defects. High and low loading rates of MBD lead glass specimens have been investigated using universal Instron test machine and compressive Hopkinson pressure bars. The experimental results obtained have been compared using the Weibull distribution for scatter strength variation. Stress distribution in the above specimens was calculated using the finite element method, which provided detailed analysis of the macromechanical brittle fracture mechanism. In static tests of spherical glass specimens, we observed generation of contact stresses, which result in activation of defects in the working parts of specimens, whereas no activated defects were observed in MBD specimens neither under static, nor under dynamic loading conditions. For specimens of various geometries and type of load application it is recommended to apply probabilistic approaches, e.g., Weibull’s approach, insofar as contact stresses in brittle materials induce activation of defects, location of which depends on the specimen geometry and loading type.

Для різних швидкостей навантаження оцінено локалізацію активованих дефектів у скляному зразку у вигляді модифікованого бразильського диска у порівнянні зі стандартним сферичним зразком. Геометрія зразка може суттєво впливати на механічну поведінку матеріалів, особливо це стосується крихких матеріалів, які дуже чутливі до розподілу дефектів. Отримані результати аналізуються за допомогою статистичного підходу Вейбулла. Із використанням універсальної випробувальної машини “Інстрон” та захватів Гопкінсона для стиску реалізовано високі і низькі швидкості навантаження зразків у вигляді модифікованого бразильського диска з високоміцного скла. Отримані експериментальні дані порівнюються з розподілом Вейбулла відносно розсіяння характеристик міцності. За допомогою методу скінченних елементів розраховано поле напружень у зразках вказаного типу, що дозволило більш детально дослідити крихкий макромеханічний механізм руйнування. Установлено, що за статичних випробувань сферичних скляних зразків виникають контактні напруження, що призводить до активації дефектів у робочій частині зразка. У зразках типу модифікованого бразильського диска активація дефектів відсутня як за статичного, так і за динамічного навантаження. Для зразків, що мають різну геометричну форму і вид прикладання навантаження, рекомендується використовувати імовірнісний підхід, наприклад підхід Вейбулла, оскільки контактні напруження у крихких матеріалах призводять до активації дефектів, розподіл яких, у свою чергу, залежить від геометрії і виду навантаження зразка.

Для различных скоростей нагружения оценена локализация активированных дефектов в стеклянном образце в виде модифицированного бразильского диска по сравнению со стандартным сферическим образцом. Геометрия образца может оказывать существенное влияние на механическое поведение материала, особенно это относится к очень чувствительным к распределению дефектов хрупким материалам. Для анализа полученных результатов используется статистический подход Вейбулла. С использованием универсальной испытательной машины "Инстрон ” и захватов Гопкинсона для сжатия реализованы высокие и низкие скорости нагружения образцов в виде модифицированного бразильского диска из высокопрочного стекла. Полученные экспериментальные результаты сравнивали с распределением Вейбулла с точки зрения рассеяния прочностных характеристик. С помощью метода конечных элементов рассчитано поле напряжений в образцах указанного типа, что позволило более детально изучить хрупкий макромеханический механизм разрушения. Установлено, что при статических испытаниях сферических стеклянных образцов возникают контактные напряжения, приводящие к активации дефектов в рабочей части образцов. В образцах типа модифицированного бразильского диска не наблюдалось активации дефектов ни при статическом, ни при динамическом нагружении. Для образцов различной геометрической формы и вида приложения нагрузки рекомендуется использовать вероятностный подход, например подход Вейбулла, поскольку контактные напряжения в хрупких материалах вызывают активацию дефектов, расположение которых, в свою очередь, зависит от геометрии и вида нагружения образца.