Department of Theoretical Physics (University of Debrecen)
Participants
Kocsis, Gergely Tímár, Gábor Varga, Imre
Starting date
2011-02-01
Closing date
2016-01-31
Funding (in million HUF)
6.748
FTE (full time equivalent)
14.50
state
closed project
Summary in Hungarian
A projekt keretében rendezetlen szerkezetű anyagok károsodásának, törésének és fragmentációjának mélyebb megértésére tervezünk vizsgálatokat. A kutatómunkának három fő iránya van: vizsgáljuk heterogén anyagok szubkritikus törését konstans (kúszó törés) és periódikus (fáradásos törés) terhelés alatt; analizáljuk az ütközéssel keltett dinamikus törés folyamatát, valamint tanulmányozzuk tömbi anyagok és héjszerkezetek fragmentációját.
A szubkritikus törés vizsgálatának fő célja annak tisztázása, hogy a mechanikai feszültségkoncentráció, az anyag strukturális rendezetlensége és a termikus zaj együttes hatása hogyan befolyásolja a konstans vagy periódikus terhelésnek kitett rendszer makroszkópikus időfejlődését és a törés mikroszkópikus folyamatát. Dinamikus törés esetén az ütközéssel keltett repedés megindulásának és terjedésének törvényszerűségeit, és a dinamikus törésnek a fázisátalakulásokkal mutatott analógiáját vizsgáljuk. Célunk annak tisztázása, hogy a törés rideg illetve szívós jellege hogyan befolyásolja a repedésterjedést kísérő zajspektrum szerkezetét. Fragmentációs jelenségek vizsgálata során a keletkezett darabok sebességeloszlásának, továbbá a tömeg és sebesség korrelációjának megértésére koncentrálunk mind tömbi anyagok, mind héjszerkezetek esetén. További célunk annak feltárása, hogy a zárt héjak repedési mintázata hogyan befolyásolja a fragmensek alakját és annak skálatörvényeit. A fragmentációs jelenségek vizsgálatát kiterjesztjük plasztikus, szívósan törő anyagokra is.
Vizsgálataink a statisztikus fizika módszereire, a fázisátalakulások és kritikus jelenségek elméletére épül. A törési jelenségeknek realisztikus szálköteg és diszkrét elem modelljeit dolgozzuk ki, amelyekkel számítógépes szimulációkat végzünk, valamint egyszerűsítő feltevések mellett analitikus számításokat is tervezünk. A projekt mindhárom részterülete a témavezetőnek a szakterület elismert hazai és nemzetközi kutatóhelyeivel együttműködésben végzett eddigi sikeres kutatásaira épül.
Summary
In the framework of the project we are going to investigate various aspects of the damage, fracture and fragmentation of disordered materials. Research efforts are focused in three main directions: we plan to investigate the sub-critical fracture of heterogeneous materials under constant (creep) and cyclic (fatigue) loading; the dynamic fracture process induced by impact loading; furthermore, the fragmentation of bulk materials and shell-like structures.
Studying sub-critical fracture the main goal is to clarify the interplay of stress concentrations, the quenched structural disorder and annealed disorder in the macroscopic time evolution and microscopic process of creep and fatigue failure. In dynamic fracture we focus on the initiation and propagation of a crack generated by impact loading, and we investigate how the brittle and ductile character of fracture affects the jerky advancement of the crack front. In fragmentation we want to understand the velocity distribution; furthermore, the mass-velocity correlation of fragments both for bulk and shell structures. We intend to study the shape of shell fragments, as well as, the fragmentation of materials with plastic behavior and ductile breaking.
Our approach to fracture and fragmentation processes is based on statistical physics and on the theory of phase transitions and critical phenomena. We plan to develop realistic fiber bundle and discrete element models and perform large scale computer simulations complemented by analytic calculations under simplifying assumptions. All the three sub-fields of the present project are based on successful current research of the group of the PI carried out in international collaboration with respected foreign and Hungarian research groups.
Final report
Results in Hungarian
A projekt keretében heterogén anyagok törési folyamatainak elméleti vizsgálatára realisztikus szálköteg és diszkrét
elem modelleket dolgoztunk ki, amelyek képesek megragadni a rendezetlen mikroszerkezet és a törési dinamika
legfontosabb aspektusait. Számítógépes szimulációval és analitikus számolásokkal
feltártuk, hogy konstans szubkritikus és lassan növekvő terhelés alatt heterogén anyagok
makroszkopikus törését intenzív repedezés előzi meg, amelynek statisztikáját
univerzális hatványfüggvény eloszlások jellemzik. Megmutattuk, hogy a repedési lavinák időfejlődése
a katasztrofális törés kritikus pontja felé haladva számos analógiát mutat természeti katasztrófákkal, mint
a földrengések, ami felveti az előrejelzés lehetőségét is. Megállapítottuk, hogy a lavinák sokasága mellett az
egyedi repedési lavinák időfejlődése is értékes információt hordoz, ami kiaknázható anyagvizsgálati
módszerekben. Dinamikusan keltett, nagysebességű repedések terjedése szintén zajos folyamatnak bizonyult,
azaz a repedés korrelált ugrásokban halad előre, amit hatványfüggvény eloszlások jellemeznek.
Fragmentációs folyamatokra azt találtuk, hogy bizonyos körülmények között sérülhet a keletkezett
darabok tömegeloszlásának univerzalitása, azaz a hatványfüggvény tömegeloszlás exponense függhet
a betáplált energiától. Kísérleti és elméleti vizsgálataink arra az eredményre vezettek, hogy a fragmensek
alakjának méretfüggését is univerzális törvényszerűségek írják le.
Results in English
In the framework of the project we worked out realistic fiber bundle and discrete element models
of the fracture of heterogeneous materials, which capture all relevant aspects of the structural disorder
and of the dynamics of local breaking. Computer simulations and analytic calculations
revealed that under constant subcritical and slowly increasing external loads the macroscopic failure
of heterogeneous materials is preceded by an intensive cracking activity characterized by power law statistics.
We showed that approaching catastrophic failure the time evolution of breaking bursts exhibits interesting
analogies to natural catastrophes such as earthquakes which addresses the possibility of forecasting.
Beyond the ensemble of breaking bursts, the time evolution of single avalanches also proved to provide
valuable information about the dynamics of the fracture process that can be exploited for materials'
testing methods. We pointed out that high speed crack propagation has also a jerky dynamics, i.e.
the crack proceeds in correlated jumps which are characterized by universal power law statistics. For fragmentation
phenomena simulations demonstrated that under certain conditions the universality of the mass distribution
of fragments can be broken, i.e. the power law exponent of the distribution can depend on the
imparted energy. Experiments and computer modelling revealed a high degree of universality of the size dependence
of the shape of fragments.
S. Lennartz-Sassinek, Z. Danku, F. Kun, I. G. Main. and M. Zaiser: Damage growth in fibre bundle models with localized load sharing and environmentally-assisted ageing, Journal of Physics: Conference Series 410, 012064, 2013
