[논문 리뷰] Scale-free fracture in soft solids

Jin Young Kim, Zezhou Liu외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 02.

High-Velocity Impact and Material Behavior인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 연성 고무에 고정된 응력 상태에서 상분리 기법을 사용하여 구멍을 제어적으로 핵형성하고 성장시키며, 연성 고체에서 체계적 크기 없는 균열을 조사한다. 구멍은 구멍 주위의 분산된 영구적인 결합 파손과 함께 체계적 크기 없는 방식으로 팽창하며, 일정한 구동 압력 하에서 성장한다—이로 인해 일반적으로 취성으로 간주되는 고무에서 연성과 유사한 거동가 나타난다.

ABSTRACT

Cavitation is a common damage mechanism in soft solids. Here, we study this using a phase-separation technique in stretched, elastic solids to controllably nucleate and grow small cavities by several orders of magnitude. The ability to make stable cavities of different sizes, as well as the huge range of accessible strains, allows us to systematically study the early stages of cavity expansion. Cavities grow in a scale-free manner, accompanied by irreversible bond breakage that is distributed around the growing cavity, rather than being localized to a crack tip. Furthermore, cavities appear to grow at constant driving pressure. This has strong analogies with the plasticity that occurs surrounding a growing void in ductile metals. In particular we find that, although elastomers are normally considered as brittle materials, small-scale cavity expansion is more like a ductile process. Our results have broad implications for understanding and controlling failure in soft solids.

연구 동기 및 목표

• 통제된 변형 상태에서 연성 고체 내 초기 단계의 구멍 팽창 메커니즘을 이해하기 위해.
• 소규모에서 연성 고체의 파손이 취성인지 연성과 유사한 과정인지 조사하기 위해.
• 구멍 성장에서 국소적 균열 끝부분의 응력과 분산된 결합 파손의 역할을 탐구하기 위해.
• 구멍 팽창이 금속의 플라스틱 거동와 유사하게 일정한 압력에 의해 구동되는지 확인하기 위해.

제안 방법

• 연신된 탄성 고체에 구멍을 핵형성하고 성장시키기 위해 상분리 기법을 사용하기 위해.
• 넓은 범위의 변형 상태에 접근하기 위해 통제된 일축 변형을 적용하기 위해.
• 크기의 여러 온스케일에 걸쳐 구멍 핵형성과 성장을 실시간으로 모니터링하기 위해 현장 내 영상 기록을 사용하기 위해.
• 구멍 팽창 중 구동 압력을 측정하여 구동력의 일관성 평가하기 위해.
• 구멍 주변의 결합 파손 분포를 분석하여 국소화 또는 비국소화 여부 결정하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 연성 고체에서 구멍 팽창이 체계적 크기 없는 성장 메커니즘을 따르는가?
• RQ2 성장 중에 결합 파손은 균열 끝부분에 국소화되어 있는가, 아니면 구멍 주변에 분산되어 있는가?
• RQ3 구멍 팽창의 구동 압력은 성장 중 일정한가?
• RQ4 소구멍 성장 측면에서 연성 고체의 파손 거동은 연성 금속과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 구멍은 체계적 크기 없는 방식으로 팽창하며, 특징적인 길이 척도 없이 수개의 온스케일에 걸쳐 크기가 증가한다.
• 결합 파손은 균열 끝부분에 국소화되어 있는 것이 아니라 구멍 주변에 분산되어 있다.
• 구멍 팽창은 일정한 구동 압력 하에서 발생하여 자가유지 성장 과정임을 나타낸다.
• 고무는 전통적으로 취성으로 간주되지만, 실험적 파손 메커니즘은 연성 금속의 플라스틱 거동과 유사하다.
• 고무에서 소규모 구멍 팽창은 연성과 유사한 거동를 보이며, 기존의 연성 고체 파손 분류 기준에 도전한다.