An experimental investigation into dynamic fracture: II. Microstructural aspects

Abstract

This is the second of a series of four papers in which problems of dynamic crack propagation are examined experimentally in large, thin sheets of Homalite 100 simulating crack growth in an unbounded plate. In the first paper crack initiation resulting from stress wave loading to the crack tip and crack arrest were investigated. It was found that for increasing rates of loading in the micro second range, the stress intensity required for initiation rises markedly. Crack arrest occurs abruptly without any deceleration phase at a stress intensity below that value which causes initiation under quasi-static loading.

In this paper we investigate the microscopic processes that control the process of dynamic fracture. Through post-mortem examination of the fracture surfaces it is established that microcracks are nucleated and grown ahead of a propagating crack. A measure of the size of the fracture process zone in which these microcracks are activated is obtained. Real time high speed photomicrography is used to capture the evolution of crack growth and crack branching. Under conditions of low stress intensity the crack front exhibits “thumbnail” curvature similar to the crack front profiles associated with quasi-static fracture processes. At increasing stress intensity the crack front straightens out and is identifiable as a front of multiple microfractures.

The third contribution establishes the hitherto unreported occurrence that cracks can propagate rapidly with constant velocity even though the stress intensity factor varies considerably during this propagation. This velocity is determined by the initial stress wave loading on the crack tip and is changed, within limits, only by stress pulses of sufficient magnitude and brevity of rise time.

The final paper in the series deals with the effect of stress waves on the behavior of running cracks, in particular with the influence of stress waves on the branching phenomenon. Also, crack curving under transient stress waves is examined. These results are believed to apply to brittle materials other than Homalite 100 and the reasons for this belief are discussed briefly in the first paper of this series.

Résumé

Le présent mémoire est le deuxième d'une série de quatre, consacrés à l'examen des problèmes de propagation dynamique d'une fissure par voie expérimentale dans des feuillards minces d'Homalite 100 destinés à simuler la croissance d'une fissure dans une tôle non limitée. Dans le premier mémoire, l'amorçage de la fissure qui résulte d'une sollicitation par contrainte ondulée à l'extrémité de cette fissure, ainsi que les problèmes d'arrét de fissure ont été étudiés. On a trouvé que, lorsque la vitesse de mise en charge s'accélère dans la gamme de la microseconde, l'intensité de contrainte requise pour l'amor¢age s'accroit de manière significative. L'arrêt de fissure se produit brutalement sans la moindre phase de décélération à une intensité de contrainte inférieure à la valeur qui provoque l'amor¢age sous des sollicitations quasi-statique.

Dans le présent mémoire, on examine le processus microscopique qui régit la rupture dynamique. Grâce à l'examen post-mortem des surfaces de rupture, on établit que des micro-fissures sont créées et croissent en avant d'une fissure en cours de propagation. On obtient une mesure de la taille de la zone concernée par le processus de rupture dans laquelle ces micro-fissures se trouvent activées. L'utilisation est faite de la photo-micrographie à haute vitesse et à temps réel en vue de capter l'évolution de croissance de la fissure ainsi que son arborescence. Sous des conditions de faible intensité de contrainte, le front de fissuration fait état d'une courbure en ongle similaire au profil de front de fissure associé avec un processus de rupture quasi-statique. Lorsque s'accroit l'intensité de contrainte, le front de fissure tend à devenir droit et est identifiable à un front de micro-ruptures multiples.

La troisième contribution de cette série rapporte le phénomène jusqu'ici non publié selon lequel des fissures peuvent se propager rapidement avec une vitesse constante même si le facteur d'intensité de contrainte évolve considérablement au course de cette propagation. Cette vitesse est déterminée par la charge ondulante initiale à l'extrémité de la fissure et ne se modifie, du moins dans certaines limites, que par des pulsations de contrainte d'une amplitude suffisante et d'une soudaineté d'apparition.

Le dernier des documents de cette série est relatif à l'effet des ondes de contrainte sur le comportement de fissure en cours de propagation en particulier en tenant compte de l'influence des ondes de contraintes sur le phénomène d'arborescence. On examine également la courbure que peut prendre une fissure sous l'effet d'ondes de contrainte transitoire. On pense que ces résultats s'appliquent a des materiaux fragiles autres que l'Homalite 100 et l'on discute brièvement dans le premier document de cette série les raisons de cet avis.