Numerical study of the crack growth direction within a quasi-brittle material in a gradient temperature field | Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Matematika i mekhanika – Tomsk State University Journal of Mathematics and Mechanics. 2024. № 88. DOI: 10.17223/19988621/88/8

Numerical study of the crack growth direction within a quasi-brittle material in a gradient temperature field

The elliptical crack growth in a quasi-brittle material located in a gradient field of temperature next to the melting temperature for the thermodynamic phases of the material is studied. The elastic properties of the material are assumed to have an obvious dependence on temperature. This is typical for materials located close to the melting point. To determine the direction of crack growth, a gradient strain criterion is introduced, which assumes crack growth from the point of maximum elastic strain of the material toward its minimum. Depending on the orientation of the crack axis relative to the direction of the temperature gradient, the crack retardation, the change of the crack growth direction, or the appearance of secondary lateral cracks in the vicinity of the main crack tip are possible. The calculated results and the admissibility of applying the introduced criterion have been successfully validated by an experiment with thermal fracture of freshwater ice blocks. As a result, the phenomena predicted by finite element calculations have also been discovered experimentally.

Download file

Counter downloads: 4

Keywords

brittle fracture, melting temperature, crack trajectory calculation, premelting

Authors

Name	Organization	E-mail
Zabolotskiy Andrey V.	Magnezit Group; Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences	zabolotsky@bk.ru
Dmitriev Andrey I.	Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; Tomsk State University	dmitr@ispms.ru

Всего: 2

References

Соболев Р.Н. Температурный интервал плавления кристаллического вещества // Докла ды Академии наук. 2017. Т. 473, № 3. С. 351-354.

Гусаров В.В., Суворов С.А. Температура плавления локально-равновесных поверхност ных фаз в поликристаллических системах на основе одной объемной фазы // Журнал прикладной химии. 1990. Т. 63, № 8. С. 1689-1694.

Ролов Б.Н., Юркевич В.Э. Физика размывных фазовых переходов. Ростов н/Д: РГУ, 1983.

Уббелоде А. Плавление и кристаллическая структура. М.: Мир, 1969.

Stueckelschweiger M., Gruber D., Jin S., Harmuth H. Creep testing of carbon containing refractories under reducing conditions // Ceramics International. 2019. V. 45 (8). P. 97769781.

Бакунов В.С., Лукин Е.С., Сысоев Э.П. Длительная прочность плотной поликристалли ческой оксидной керамики до 1 600°С // Новые огнеупоры. 2015. № 7. С. 34-41.

Заболотский А.В. Математическое моделирование термостойкости оксида магния // Новые огнеупоры. 2011. № 6. С. 90-98.

Zabolotskiy A.V., Turchin M.Y., Khadyev V.T., Migashkin A.O. Numerical investigation of refractory stress-strain condition under transient thermal load // AIP Conference Proceedings. 2020. V. 2310. Art. 020355.

Dmitriev A.I., Nikonov A.Yu., Osterle W. Molecular dynamics sliding simulations of amor phous Ni, Ni-P and nanocrystalline Ni films // Computational Materials Science. 2017. V. 129. P. 231-238.

Dmitriev A.I., Nikonov A.Y., Shugurov A.R., Panin A.V. Numerical study of atomic scale deformation mechanisms of Ti grains with different crystallographic orientation subjected to scratch testing // Applied Surface Science. 2019. V. 471. P. 318-327. 10.1016/j.apsusc. 2018.12.021.

Shugurov A.R., Panin A.V., Dmitriev A.I. Multiscale Fracture of Ti-Al-N Coatings under Uniaxial Tension // Physical Mesomechanics. 2021. V. 24. P. 185-195. 10.1134/S10299 59921020089.

Марченко А.В., Карулин Е.Б., Чистяков П.В. Экспериментальное определение упругих характеристик морского ледяного покрова // Вести газовой науки: научно-технический сборник. 2020. Т. 45, № 3. С. 129-140.

Войнов Г.Н. Приливные явления и методология их исследований в шельфовой зоне арктических морей (на примере Карского и северо-восточной части Баренцева морей): автореф. дис.. д-ра геогр. наук. СПб., 2003.

Зубакин Г.К., Дмитриев Н.Е., Войнов Г.Н., Нестеров А.В., Виноградов Р.А. Динамика вод и льдов Печорского моря по экспериментальным данным // Труды RAO-03, Санкт-Петербург, 16-19 сентября 2003. C. 300-303.

Степанов И.В., Кубышкин Н.В. Результаты многолетних экспедиционных исследований физико-механических свойств льдов Печорского моря // Труды RAO-03, Санкт-Петербург, 16-19 сентября 2003. C. 194-197.

Артемов М.А., Барановский Е.С., Бердзенишвили Г.Г., Семка Э.И., Фатхудинов Д.Б. О нейтральном нагружении диска при тепловом и силовом воздействиях // Инженерный вестник Дона. 2018. № 2. URL: https://cyberleninka.ra/article/n/o-neytralnom-nagruzhenii-diska-pri-teplovom-i-silovom-vozdeystviyah/viewer.

Коноплин Н.А. Температурная зависимость параметров упругости железа // Природообустройство. 2009. № 4. С. 99-101.

Ершова А.Ю., Мартиросов М.И. Экспериментально-теоретические исследования дисперсно-упрочненных композитов применительно к задачам аэрокосмической промышленности. // Труды МАИ. 2016. № 89. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/eksperimentalno-teoreticheskie-issledovaniya-dispersno-uprochnennyh-kompozitov-primenitelno-k-zadacham-aerokosmicheskoy.

Токий Н.В., Токий В.В., Пилипенко А.Н., Письменова Н.Е. Температурная зависимость модулей упругости субмикрокристаллической меди // Физика твердого тела. 2014. № 5. С. 966-969.

Григорьев А.С., Данильченко С.В., Заболотский А.В., Мигашкин А.О., Турчин М.Ю., Хадыев В.Т. Особенности разрушения футеровок в оборудовании разного размера // Новые огнеупоры. 2022. № 12. С. 3-11.

Kuliev V.D., Morozov E.M. The gradient deformation criterion for brittle fracture // Doklady Physics. 2016. V. 61. P. 502-504.

Гольдштейн Р.В., Осипенко Н.М. Модель хрупкого разрушения пористых материалов при сжатии // Математическое моделирование систем и процессов. 2009. № 17. C. 47-58.

Заболотский А.В., Мигашкин А.О., Григорьев А.С., Дмитриев А.И., Турчин М.Ю., Хадыев В.Т., Шилько Е.В. Моделирование зарождения трещин в материалах с регулярно расположенными сферическими порами в условиях многоосного нагружения // Новые огнеупоры. 2023. № 3. C. 13-20.

Войтковский К.Ф. Механические свойства льда. М.: Изд-во АН СССР, 1960.

Близняк Е.В. Инженерная гидрология. М.: Речиздат, 1939.

Сериков М.И. Определение модуля упругости льда резонансным методом // Проблемы Арктики. 1959. № 6. С. 81-87.

Богородский В.В., Гаврило В.П., Гусев А.В. О нелинейных эффектах при разрушении льда в жидкости. М.: Транспечать, 1970. (Труды ААНИИ).

Иванов Б.Д. Тепловое расширение гексагонального льда // Вестник Якутского государственного университета. 2009. Т. 6, № 4. С. 35-39.

Чубик И.А. Маслов А.М. Справочник по теплофизическим характеристикам пищевых продуктов и полуфабрикатов. М.: Пищевая промышленность, 1970.

Волков А.И., Жарский И.М. Большой химический справочник. М.: Сов. школа, 2005.

Данные текущего контроля качества воды ГУП "Водоканал Санкт-Петербурга". URL: https://www.vodokanal.spb.ru/vodosnabzhenie/kachestvo_vody.

Li L., Shkhinek K. The ultimate bearing capacity of ice beams // Magazine of Civil Engineering. 2013. V. 1 (36). P. 65-74.

Sodhi D.S. Vertical penetration of floating ice sheets // International Journal of Solid and Structures. 1998. V. 35 (32). P. 4275-4294.