Исследование статистики фрагментации природных материалов в лабораторных условиях
DOI:
https://doi.org/10.7242/2658-705X/2024.4.2Ключевые слова:
статистический анализ фрагментации, кварцит, песчаник, андезитАннотация
Представлены результаты исследования поведения природных материалов (кварцит, песчаник, андезит) при квазистатическом, динамическом нагружении и низкоскоростном индентировании (10-3÷103 1/с). Условия эксперимента позволили сохранить фрагментированные образцы и провести анализ статистики сохраненных фрагментов по размерам (массам). В ходе исследований использовалась система лабораторных сит и электронные весы HR-202i с погрешностью измерения 0.0001 г. Метод обработки фотографий с фрагментами позволил установить количество и массу фрагментов на ситах с размерами ячейки до 0.063-0.05 мм, не менее 99% от массы образца и минимизировать погрешность измерений. На полученных кумулятивных распределениях фрагментов по массе N(mf) наблюдается изменение формы перегиба и смещение точки перегиба в сторону меньших масштабов с увеличением скорости деформации. В ходе анализа данных отражается сходство статистики фрагментации по степенному закону и асимптотических режимов разрушения с
множественными разрывами, полученными по сценарию хрупкого разрушения. Показано, что разрушение образцов происходит по разным сценариям в зависимости от условий нагружения и связано с изменением скорости перехода от одной стадии появления трещин (или накопление напряженных состояний, дефектной структуры) к другой (образование трещин и полная фрагментация). Установлено, что формирование фрагментов носит «автомодельный» характер
Библиографические ссылки
Meibom A., Balslev I. Composite power laws in shock fragmentation // Physical Review Letters. – 1996. – V. 76. – No.14. – P. 2492–2494. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.76.2492
Chen W., Ravichandran G. Dynamic compressive failure of glass ceramic under lateral confinement // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. – 1997. – V. 45. – No.8. – P. 1303–1328. https://doi.org/10.1016/S0022-5096(97)00006-9
Katsuragi H., Sugino D. and Honjo H. Scaling if impact fragmentation near the critical point // Physical Review E. – 2003. – V. 68. – No.4. – P. 046105(1–6). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.68.046105
Katsuragi H., Ihara S., Honjo H. Explosive fragmentation of a thin ceramic tube using pulsed power // Physical Review Letters. – 2005. – V. 95. – No.9. – P. 095503(1–4). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.95.095503
Grady D. Fragmentation of rings and shells – Springer – Verlag Berlin Heidelberg, 2006. Printedin Germany. – 374 pp.
Davydova M.M., Uvarov S.V., Naimark O.B. Space-time scale invariance in dynamically fragmented quasi-brittle materials // Physical Mesomechanics. – 2016. – V.19. – No.1. – P. 86-92. https://doi.org/10.1134/S1029959916010094
Mott N.F. A theory of the fragmentation of shells and Bombs // Ministry of Supply. Past 3. – 1943. – No. A.C.4035. – P. 1–51. https://doi.org/10.1007/978-3-540-27145-1_11
Степанов Г.В., Бабуцкий А.И. Экспериментальное изучение дробления металлических колец // Проблемы Прочности. – 1984. – №8. – C. 108–110.
Wittel F.K., Kun F., Herrmann H.J., Kröplin B.H. Fragmentation of shells // Physical Review Letters. – 2004. – V. 93. – No.3. – P. 035504(1–4). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.93.035504
Bannikova I.A., Uvarov S.V., Naimark O.B. Experimental research of self-regularities of ceramics fracture under shock wave loading. PNRPU Mechanics Bulletin. – 2015. – No. 3. – Р. 25-37. https://doi.org/10.15593/perm.mech/2015.3.03
Банникова И.А. Автомодельные закономерности деформирования и разрушения сплошных сред при интенсивных воздействиях / Дисс. канд. физ.-мат. наук: 01.02.04. – Томск, ТГУ, 2017. – 168 с.
Ching Emily S.C., Lui S.L., Ke-Qing Xia. Energy dependence of impact fragmentation of long. Glass rods // Physical A. – 2000. – V. 287 – P. 83–90. https://doi.org/10.1016/S0378-4371(00)00446-5
Gladden J.R., Handzy N.Z., Belmonte A., Villermaux E. Dynamic buckling and fragmentation in brittle rods // Physical Review Letters. – 2005. – V. 94. – P. 035503(1–4). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.94.035503
Bannikova I.A., Uvarov S.V. Experimental study of fragmentation of fused quartz cylinders under quasi-static loading with the fractoluminescence recording // Proc. Struct. Int.. – 2021. – V. 32. – P.10-16. https://doi.org/10.1016/j.prostr.2021.09.003
Katsuragi H., Sugino D., Honjo H. Crossover of weighted mean fragment mass scaling in twodimensional brittle fragmentation // Physical Review E. – 2004. – V. 70. – No.62. – P. 065103(1–4). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.70.065103
Grady D.E. Impact breach and fragmentation of glass plate // International Journal of Impact Engineering. – 2011. – V. 38. – Is.6. – P. 446–450. https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2010.10.015
Greiner W., Stöcker H. Hot nuclear matter // Scientific American. – 1985. – V. 252. – No.1. – P. 76–87.
Grady D.E. Length scales and size distributions in dynamic fragmentation // International Journal of Fracture. – 2010. – V. 163. – P. 85–99. https://doi.org/10.1007/s10704-009-9418-4
Naimark O.B. Defect induced transitions as mechanisms of plasticity and failure in multifield continua // In: Advances in Multifield Theories of Continua with Substructure / Ed. G. Capriz and P. Mariano, Birkhäuser, Boston. – 2004. – P. 75–114.
Kurdyumov S.P. Evolution and self-organization laws of complex systems // International Journal of Modern Physics. – 1990. – V. 1(4). – P. 299–327. https://doi.org/10.1142/S0129183190000177
Lyapunova E.A., Davydova M.M., Zaitzev D.V., Panfilov P.E. Statistical regularities of alumina fragmentation under uniaxial compression at room and liquid nitrogen temperatures // AIP Conference Proceedings – 2016. – No.1785. – P. 040033. https://doi.org/10.1063/1.4967090
Naimark O.B., Uvarov S.V., Davydova M.M., Bannikova I.A. Multiscale statistical laws of dynamic fragmentation // Physical Mesomechanics. – 2017. – Vol. 20, No.1. – P. 90-101. https://doi.org/10.1134/S1029959917010088
Astrom J.A., Linna R.P., Timonen J. Exponential and power-law mass distributions in brittle fragmentation // Physical Review E. – 2004. – Vol. 70. – P. 026104(1–7). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.70.026104
Bannikova I.A., Uvarov S.V. Scaling laws in fragmentation dynamics of rock materials // Proc. Struct.Int. – 2021. – V. 33. – P. 357–364. https://doi.org/10.1016/j.prostr.2021.10.043
Наймарк О.Б., Аглетдинов Э.А., Банников М.В., Баяндин Ю.В., Бурмистров Е.В., Лукин С.В., Никитюк А.С., Овчаренко Ю.В., Уваров С.В., Чудинов В.В. Механизмы разрушения горных пород в условиях множественных метастабильных состояний, индуцированных дефектами // Физика металлов и металловедение. – 2022. – Т. 123. – №12. – С. 1362-1370. https://doi.org/10.31857/S0015323022600988
Zaiser M. Scale invariance in plastic flow of crystalline solids // Advances in Physics. – 2006. – V. 55. – P. 185–245. https://doi.org/10.1080/00018730600583514
Bouchaud E. Scaling properties of cracks // J. Phys. Condens. Matter. – 1997. – V. 9. – No.21. – P.4319– 4344. https://doi.org/10.1088/0953-8984/9/21/002
Oborin V.A., Bayandin Y.V., Bilalov D.A., Sokovikov M.A., Chudinov V.V., Naimark O.B. Self-Similar Patterns of Damage Development and Reliability Assessment of AMg6 and D16T Aluminum Alloys under Consecutive Dynamic and Gigacycle Loading // Physical Mesomechanics. – 2019. – V. 22. – No. 2. – P. 141-151. https://doi.org/10.1134/S1029959919020048
Оборин В.А. Банников М.В., Баяндин Ю.В., Соковиков М.А., Билалов Д.А., Наймарк О.Б. Фрактальный анализ поверхности разрушения сплава АМг6 при усталостном и динамическом нагружении // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2015. – №2. – С. 116–126. https://doi.org/10.15593/perm.mech/2015.2.07
Банникова И.А. «Метод фотографии» как инструмент исследования фрагментации // Заводская
лаборатория. Диагностика материалов. – 2017. – Т. 83. – №5. – С. 42–44.
Bannikova, I., Uvarov, S. Experimental study of fragmentation of fused quartz cylinders under quasistatic loading with the fractoluminescence recording // Procedia Structural Integrity. – 2021. – V. 32. – P. 10–16. https://doi.org/10.1016/j.prostr.2021.09.003
Банникова И.А., Савельева Н.В., Банников М.В., Чудинов В.В., Уваров С.В., Наймарк О.Б. Статистические закономерности разрушения и фрагментации горных пород при квазистатическом и динамическом воздействии // Актуальные проблемы современной механики сплошных сред и небесной механики – 2023: материалы XII Всероссийской научной конференции с международным участием. – Томск: ТГУ, 2023. – С. 19-22.
Bannikova I.A., Saveleva N.V., Uvarov S.V., Bannikov M.V., Panfilov P.E., Naimark O.B. Investigation of plasma spray ceramic fragmentation statistics in a wide range of strain rates // Russian Physics Journal. – 2023. – V.66. – No.9. – P. 990-997. https://doi.org/10.1007/s11182-023-03034-8
Uvarov S.V., Bannikova I.A., Naimark O.B., Gareev A.R. Dynamic indentation and low velocity impact of siliconized graphite // XXXIX Fortov International Conference on Equations of State for Matter (ELBRUS 2024) (http://www.ihed.ras.ru/elbrus24/program/restore.php?id=200).
