Effect of strain rate on the fracture behavior of quasi-brittle composite refractory materials
A fracture model for a composite quasi-brittle material is proposed, assuming that different structural elements are involved in crack formation depending on the strain rate. The deformation of the material may result from either external mechanical loading or self-expansion due to temperature changes. A dependence is introduced between the critical strain rate of the material and its elastic properties measured using the static methods. At strain rates below the critical threshold, fracture initiates in the weaker component of the composite, whereas at rates exceeding the critical value, failure becomes volumetric, involving all structural elements in crack formation. For such materials, the critical strain rate at which the fracture mechanism changes is calculated. The theoretical results are validated through laboratory static and dynamic strength tests of the industrial refractories. It is established that, in practice, the grain frame of the composite material is involved in crack formation when the strain rate exceeds the calculated critical value.
Download file
Counter downloads: 10
Keywords
brittle destruction, destruction dynamics, composite materialAuthors
| Name | Organization | |
| 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 |
References
Grigoriev A.S., Zabolotskiy A.V., Shilko E.V., Dmitriev A.I., Andreev K. Analysis of the Quasi Static and Dynamic Fracture of the Silica Refractory Using the Mesoscale Discrete Element Modelling // Materials. 2021. V. 14. Art. 7376. doi: 10.3390/ma14237376.
Смирнов И.В., Петров Ю.В. Анализ динамической прочности битумных вяжушдх для асфальтобетона в терминах критерия инкубационного времени разрушения // Физическая мезомеханика. 2020. Т. 23, № 2. С. 24-34. doi: 10.24411/1683-805X-2020-12003.
Волегов П.С., Грибов Д.С., Трусов П.В. Поврежденность и разрушение: классические континуальные теории // Физическая мезомеханика. 2015. Т. 18, № 4. С. 68-87. doi: 10.24411/1683-805X-2015-00035.
Баев В.С., Пичугин А.П. Теория динамической прочности композиционных материалов // Строительные материалы. 2010. № 7. С. 84-86.
Кривошеина М.Н. Моделирование напряженного состояния в преградах из анизотропных материалов // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2022. № 79. С. 89-99. doi: 10.17223/19988621/79/8.
Kolsky H. An investigation of the mechanical properties of material at very high rates of loading // Proceedings of the Physical Society. Section B. 1949. V. 62 (11). P. 676-700.
Курдюмов С.П. Режима: с обострением. Эволюция идеи. М. : Физматлит, 2006. 312 с.
Shilko E.V., Grigoriev A.S., Lapshina A.A., Buyakov A.S., Shmakov V.V., Dmitriev A.I., Zabo lotskiy A. V., Andreev K. Development of a mesoscale mechanical model of ceramic materials with multiscale porosity. Silica refractory case study // AIP Conference Proceedings. 2023. Art. 2899. doi: 10.1063/5.0162808.
Grigoriev A.S., Shilko E.V., Skripnyak V.A., Psakhie S.G. Kinetic approach to the development of computational dynamic models for brittle solids // International Journal of Impact Engineering. 2019. V. 123. P. 14-25. doi: 10.1016/j.ijimpeng.2018.09.018.
Макаров П.В., Еремин М.О. Модель разрушения хрупких и квазихрупких материалов и геосред // Физическая мезомеханика. 2013. Т. 16, № 1. С. 5 26. doi: 10.24411/1683-805X-2013-00032.
Мураками Ю. Справочник по коэффициентам интенсивности напряжений: в 2 т. М.: Мир, 1990. Т. 1. 448 с.; Т. 2. 568 с.
Andreev K., Yin Y., Luchini B., Sabirov I. Failure of refractory masonry material under monotonic and cyclic loading - Crack propagation analysis // Construction and Building Materials. 2021. V. 299. Art. 124203. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2021.124203.
Савельев И.В. Курс общей физики: в 3 т. М.: Лань, 2020. Т. 1: Механика. Молекулярная физика. 436 c.
Морозов В.А., Савенков Г.Г. Предельная скорость распространения трешцн в динамически разрушаемых материалах. // Прикладная механика и техническая физика. 2013. Т. 54, № 1. С. 163-169. doi: 10.1134/S0021894413010173.
Чекунаев Н.И., Каплан А.М. Предельная скорость распространения трешцн в упругих материалах // Прикладная механика и техническая физика. 2009. Т. 50, № 4 (296). С. 158166. doi: 10.1007/s10808-009-0091-1.
Победря Б.Е. Модели механики сплошной среды // Фундаментальная и прикладная математика. 1997. Т. 3, № 1. С. 93-127.
Брагов А.М., Карихалу Б.Л., Петров Ю.В., Константинов А.Ю., Ламзин Д.А., Ломунов А.К., Смирнов И.В. Высокоскоростное деформирование и разрушение фибробетона // Прикладная механика и техническая физика. 2012. Т. 53, № 6. С. 144-152.
Заболотский А.В. Построение и исследование модели поровой структуры керамического материала // Инновационная наука. 2017. № 03-1. С. 27-34.
Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016. 593 с.
Бельхеева Р.К. Малопараметрическое уравнение состояния графита для описания поведения сплошных и пористых образцов в ударных волнах и волнах разгрузки // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2024. № 90. С. 5063. doi: 10.17223/19988621/90/5.
Степашкин А.А., Ожерелков Д.Ю., Сазонов Ю.Б., Комиссаров А.А. Критерии оценки вязкости разрушения углерод-углеродных композиционных материалов // Металловедение и термическая обработка металлов. 2018. № 4. C. 64-70.
Wang X., Chen Y., Ding J., Yu C., Deng C., Zhu H. Influence of ceramic phase content and its morphology on mechanical properties of MgO-C refractories under high temperature nitriding // Ceramics International. 2021. V. 47 (8). P. 10603-10610. doi: 10.1016/j.ceramint.2020.12.172.
Effect of strain rate on the fracture behavior of quasi-brittle composite refractory materials | Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Matematika i mekhanika – Tomsk State University Journal of Mathematics and Mechanics. 2025. № 97. DOI: 10.17223/19988621/97/7
Download full-text version
Counter downloads: 26
