[论文解读] Scale-free fracture in soft solids

Jin Young Kim, Zezhou Liu+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2018

High-Velocity Impact and Material Behavior被引用 3

一句话总结

本研究通过相分离技术，在拉伸的弹性体中可控地成核和生长空洞，探究软固体中的无标度断裂。空洞以无标度方式扩展，周围发生分布式的不可逆键断裂，且以恒定驱动力压力生长——揭示了通常被视为脆性的弹性体表现出类似延性的行为。

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.

研究动机与目标

• 理解在受控应变下软固体早期空洞扩展的机制。
• 研究在小尺度下软固体的失效是遵循脆性还是类似延性的过程。
• 探讨分布式键断裂与局部裂纹尖端应力在空洞扩展中的作用。
• 确定空洞扩展是否由恒定压力驱动，类似于金属中的塑性变形。

提出的方法

• 采用相分离技术在拉伸的弹性体中成核和生长空洞。
• 施加受控的单轴向应变以获取广泛的形变状态。
• 利用原位成像技术监测空洞在多个尺寸量级下的成核与生长。
• 测量空洞扩展过程中的驱动力压力，以评估驱动力的恒定性。
• 分析空洞周围键断裂的空间分布，以判断其是否具有局域化或非局域化特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 软固体中的空洞扩展是否遵循无标度生长机制？
• RQ2 在扩展过程中，键断裂是局域化于裂纹尖端，还是分布在空洞周围？
• RQ3 空洞扩展的驱动力压力在扩展过程中是否保持恒定？
• RQ4 从空洞生长的角度看，软固体的失效行为与延性金属相比有何异同？

主要发现

• 空洞以无标度方式扩展，在尺寸上跨越多个数量级，且无特征长度尺度。
• 不可逆的键断裂分布于空洞周围，而非局域化于裂纹尖端。
• 空洞扩展在恒定驱动力压力下发生，表明其为自持生长过程。
• 失效机制类似于延性金属中的塑性变形，尽管弹性体传统上被认为具有脆性。
• 弹性体在小尺度下的空洞扩展表现出类似延性的行为，挑战了对软固体失效的传统分类。