On the mechanics of crack closing and bonding in linear viscoelastic media

Abstract

The mechanics of quasi-static crack closing and bonding of surfaces of the same or different linear viscoelastic materials is described. Included is a study of time-dependent joining of initially curved surfaces under the action of surface forces of attraction and external loading. Emphasis is on the use of continuum mechanics to develop equations for predicting crack length or contact size as a function of time for relatively general geometries; atomic and molecular processes associated with the healing or bonding process are taken into account using a crack tip idealization which is similar to that used in the Barenblatt method for fracture. Starting with a previously develiped correspondence principle, an expression is derived for the rate of movement of the edge of the bonded area. The effects of material time-dependence and the stress intensity factor are quite different from those for crack growth. A comparison of intrinsic and apparent energies of fracture and bonding is made, and criteria are given for determining whether or not bonding can occur. Examples are given to illustrate use of the basic theory for predicting healing of cracks and growth of contact area of initially curved surfaces. Finally, the effect of bonding time on joint strength is estimated from the examples on contact area growth.

Résumé

On décrit le mécanisme de fermeture d'une fissure quasi-statique et de collage des surfaces de matériaux visco-élastiques linéaires indentiques ou différents. On couvre également l'étude de la liaison dans le temps de surfaces à courbure initiale sous l'effet des forces de surface résultant de l'attraction et de charges extérieures. L'accent est placé sur l'utilisation de la mécanique des milieux continus pour l'établissement d'équations permettant de prédire la longueur de fissuration et la dimension des zones et contact en fonction du temps, dans le cas de géométries relativement générales. On prend en compte les processus atmostiques et moléculaires associés aux phénomènes de cicatrisation ou de collage en recourant à une idéalisation de l'extrémité de la fissure comparable à celle utilisée dans la méthode d'analyse des ruptures due à Barenblatt. En partant d'un principe de correspondances établi précédemment, on déduit une expansion décrivant la vitesse de déplacement du bord de la zone collée. On constate que les effets de la dépendance des propriétés du matériau en fonction du temps et du facteur d'intensité de contraintes sont différents de ceux exercés sur la croissance d'une fissure. On procède à une comparaison des énergies intrinsèques et apparentes de rupture et de collage, et on donne des critères pour déterminer si un collage peut ou non avoir lieu. Des exemples illustrent l'emploi de la théorie de base pour décrire la cicatrisation des fissures et la croissance de la surface de contact de surfaces initialement courbes. Enfin, on estime l'effet du temps de collage sur la résistance du joint, à partir des exemples de croissance de la surface de contact.