Open Access Open Access  Restricted Access Subscription Access

Simulation of crack nucleation in materials with regularly arranged spherical pores under multiaxial loading conditions


https://doi.org/10.17073/1683-4518-2023-3-13-20

Full Text:




Abstract

A numerical study of the initial stage of crack growth in a material containing spherical pores under multiaxial compression (constrained conditions) has been carried out using the finite element method. The influence of the pore spacing and the mechanical properties of the material on the fracture localization and the direction of crack growth has been analyzed. Both brittle and ductile materials were studied. It has been established that material  properties and the mutual arrangement of defects have a significant influence on the  direction  of  propagation  of  cracks arising  on  the  stress  concentrators  (structure  defects), up to mutually perpendicular directions (for uniaxial of the characteristic sizes of the region of influence of spherical pores on each other, beyond which the stress fields of the neighboring elements of the structure do not overlap. The dependences of the sizes of this area on the elastic characteristics of the matrix material are shown. The obtained results are relevant for obtaining numerical estimates of the duration of the initial stages of quasi- brittle fracture of ceramic-based heterophase materials, refractories in particular. Ill. 6. Ref. 26. Tab. 1.

About the Authors

A. V. Zabolotsky
ООО «Группа «Магнезит»
Russian Federation


A. O. Migashkin
ООО «Группа «Магнезит»
Russian Federation


A. S. Grigor'ev
ФГБУН «Институт физики прочности и материаловедения СО РАН»
Russian Federation


A. I. Dmitriev
ФГБУН «Институт физики прочности и материаловедения СО РАН»
Russian Federation


M. Yu. Turchin
ООО «Группа «Магнезит»
Russian Federation


V. T. Khadyev
ООО «Группа «Магнезит»
Russian Federation


E. V. Shil'ko
ФГБУН «Институт физики прочности и материаловедения СО РАН»
Russian Federation


References

1. Andreev, K. Thermal and mechanical cyclic tests and fracture mechanics parameters as indicators of thermal shock resistance ― case study on silica refractories / K. Andreev, V. Tadaion, Q. Zhu [et al.] // J. Eur. Ceram. Soc. ― 2019. ― Vol. 39. ― P. 1650‒1659. https://DOI:10.1016/j.jeurceramsoc.2018.12.062.

2. Andreev, K. Role of fatigue in damage development of refractories under thermal shock loads of different intensity / K. Andreev, V. Tadaion, Q. Zhu, W. Wang [et al.] // Ceram. Int. ― 2020. ― Vol. 46. ― P. 20707‒20716. DOI: 10.1016/j.ceramint.2020.04.235.

3. Andreev, K. Failure of refractory masonry material under monotonic and cyclic loading ― Crack propagation analysis / K. Andreev, Y. Yin, B. Luchini, I. Sabirov // Journal of Construction and Building Materials. ― 2021. ― Vol. 299. ― Article 124203. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2021.124203.

4. Perepelitsyn, V. A. Crack genesis in refractories / V. A. Perepelitsyn, F. L. Kapustin, K. G. Zemlyanoi [et al.] // Refract. Ind. Ceram. ― 2016. ― Vol. 57, № 4. ― P. 394‒400. ― URL: https://doi.org/10.17073/1683-4518-2016-8-23-30/. Перепелицын, В. А. Генезис трещин в огнеупорах / В. А. Перепелицын, Ф. Л. Капустин, К. Г. Земляной [и др.] // Новые огнеупоры. ― 2016. ― № 8. ― С. 23‒30.

5. Zabolotsky, A. V. Application of the cell automata method to the brittle material thermal fatigue fracture simulation / A. V. Zabolotsky, L. M. Axelrod // International Journal of Mathematical and Computational Methods. ― 2017. ― Vol. 2. ― P. 284‒291.

6. Заболотский, А. В. Цифровизация промышленных тепловых процессов и агрегатов / А. В. Заболотский, А. Н. Борзов, В. Т. Хадыев, К. П. Андреев // Черная металлургия : Бюл. научно-технической и экономической информации. ― 2021. ― Т. 77, № 2. ― С. 209‒214.

7. Murakami, Y. Stress intensity factors handbook. Vol. 2 / Еd. by Y. Murakami. ― Oxford : Pergamon Press, 1987. ― 816 p.

8. Choi, N.-S. Kaiser effects in acoustic emission from composites during thermal cyclic-loading / N.-S. Choi, T.-W. Kim, K. Y. Rhee // NDT & E International. ― 2005. ― Vol. 38, № 4. ― P. 268‒274. ― https://doi.org/10.1016/j.ndteint.2004.09.005/.

9. Kaiser, J. An investigation into the occurrence of noise in tensile tests or a study of acoustic phenomena in tensile tests : Ph. D. Thesis / J. Kaiser. ― Munchen, Germany, 1950. ― 538 р.

10. Astafurov, S. V. The possibilities and limitations of the homogenized description of inelastic behavior of brittle porous materials under constrained conditions / S. V. Astafurov, E. V. Shilko, S. G. Psakhie // PNRPU Mechanics Bulletin. ― 2017. ― Vоl. 1. ― P. 208‒232. Астафуров, С. В. О возможностях и ограничениях усредненного описания неупругого поведения хрупких пористых материалов в стесненных условиях / С. В. Астафуров, Е. В. Шилько, С. Г. Псахье // Вестник ПНИПУ. Механика. ― 2017. ― № 1. ― С. 208‒232.

11. Shilko, E. V. Strength of shear bands in fluidsaturated rocks: a nonlinear effect of competition between dilation and fluid flow / E. V. Shilko, A. V. Dimaki, S. G. Psakhie // Scientific Reports. ― 2018. ― Vol. 8. ― Article № 1428.

12. Cuss, R. J. Holloway the application of critical state soil mechanics to the mechanical behavior of porous sandstones / R. J. Cuss, E. H. Rutter // Int. J. Rock Mech. Min. ― 2003. ― Vol. 40, № 6. ― P. 847‒862.

13. Fossen, H. Deformation bands in sandstone : a review / H. Fossen, R. A. Schultz, Z. K. Shipton [et al.] // J. Geol. Soc. Lond. ― 2007. ― Vol. 164, № 4. ― P. 755‒769.

14. Menendez, B. Micromechanics of brittle faulting and cataclastic flow in berea Sandstone / B. Menendez, W. Zhu, T.-F. Wong // J. Struct. Geol. ― 1996. ― Vol. 18. ― P. 1‒16.

15. Wong, T.-F. The transition from brittle faulting to cataclastic flow in porous sandstones / T.-F. Wong, C. David, W. Zhu // Journal of Geophysical Research. ― 1997. ― Vol. 102. ― P. 3009‒3025.

16. Jaeger, C. Rock mechanics and engineering / C. Jaeger. ― Cambridge : Cambridge University Press, 2009. ― 523 p.

17. Wong, T.-F. The brittle-ductile transition in porous rock : a review / T.-F. Wong, Р. Baud // Journal of Structural Geology. ― 2012. ― Vol. 44. ― P. 25‒53.

18. Rutter, E. H. The deformation of porous sandstones ; are Byerlee friction and the critical state line equivalent / E. H. Rutter, C. T. Glover // Journal of Structural Geology. ― 2012. ― Vol. 44. ― P. 129‒140.

19. Stefanov, Y. P. Dynamics of inelastic deformation of porous rocks and formation of localized compaction zones studied by numerical modeling / Y. P. Stefanov, M. A. Chertov, G. R. Aidagulov, A. V. Myasnikov // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. ― 2011. ― Vol. 59. ― P. 2323‒2340.

20. Григорьев, А. С. Особенности разрушения футеровок в оборудовании разного размера / А. С. Григорьев, С. В. Данильченко, А. В. Заболотский [и др.] // Новые огнеупоры. ― 2022.― № 12. ― С. 3‒11.

21. Drucker, D. C. Soil mechanics and plastic analysis for limit design / D. C. Drucker, W. Prager // Quaterly of Applied Mathematics. ― 1952. ― Vol. 10. ― P. 157‒165.

22. Öztekin, E. Experimental determination of Drucker‒ Prager yield criterion parameters for normal and high strength concretes under triaxial compression / E. Öztekin, S. Pul, M. Hüsem // Construction and Building Materials. ― 2016. ― Vol. 112. ― P. 725‒732. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2016.02.127.

23. Kuliev, V. D. The gradient deformation criterion for brittle fracture / V. D. Kuliev, E. M. Morozov // Doklady Physics. ― 2016. ― Vol. 61. ― P. 502‒504. DOI: 10.1134/S1028335816100062.

24. Гольдштейн, Р. В. О модели структурированной среды в условиях сжатия / Р. В. Гольдштейн, Н. М. Осипенко // Механика твердого тела. ― 2010. ― № 6. ― C. 86‒97.

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

26. Заболотский, А. В. Численное исследование напряженно-деформированного состояния хрупкого пористого материала в условиях многоосевого нагружения / А. В. Заболотский, В. Т. Хадыев, М. Ю. Турчин, А. О. Мигашкин // Физическая мезомеханика материалов. Физические принципы формирования многоуровневой структуры и механизмы нелинейного поведения : тез. докл. Междунар. конф. (г. Томск, 5‒8 сентября 2022 г.). ― Новосибирск : НГУ, 2022. ― С. 291, 292. DOI: 10.25205/978-5-4437-1353-3-176


Supplementary files

For citation: Zabolotsky A.V., Migashkin A.O., Grigor'ev A.S., Dmitriev A.I., Turchin M.Y., Khadyev V.T., Shil'ko E.V. Simulation of crack nucleation in materials with regularly arranged spherical pores under multiaxial loading conditions. NOVYE OGNEUPORY (NEW REFRACTORIES). 2023;(3):13-20. https://doi.org/10.17073/1683-4518-2023-3-13-20

Views: 227

Refbacks

  • There are currently no refbacks.


ISSN 1683-4518 (Print)