Диаметральное сжатие коротких цилиндров с центральным отверстием как метод оценки сопротивления разрыву хрупких материалов

Исследована возможность оценки сопротивления разрыву хрупких материалов путем испытания диаметральным сжатием коротких цилиндров – сплошных и с центральным отверстием. Расчетный анализ выполнен методом конечных элементов с применением программы ANSYS. Показано, что распределение напряжений в диске с отверстием аналогично их распределению в диске без отверстия, но имеет возмущения, внесенные концентратором напряжений в виде отверстия. Нормированные значения максимальных первых главных напряжений для диска с отверстием более чем в 5 раз превышают таковые для диска без отверстия. Экспериментальный анализ проведен путем испытания коротких цилиндров как сплошных, так и с центральным отверстием, изготовленных из хрупких материалов – чугуна и графита. Установлено, что сопротивление разрушению, определенное по формуле стандарта ASTM D3967-95a, для сплошных образцов из чугуна практически не отличается, а для образцов из графита отличается в 1,5 раза от истинного сопротивления разрыву материалов. При испытании образцов из чугуна и графита с центральным отверстием сопротивления разрыву отличаются от стандартного соответственно в 1,5 и почти в 2,5 раза. Отмечен и разный характер разрушения образцов – медленный контролируемый разрыв чугуна и динамическое разрушение графита при соответствующих диаграммах деформирования. В качестве примера приведены результаты испытания реальных цилиндрических образцов с центральным отверстием – топливных таблеток диоксида урана. Показано, что результаты испытания образцов из графита АРВ-1 и топливных таблеток хорошо согласуются. Таким образом, подтверждена возможность испытания малоразмерных коротких цилиндров по схеме диаметрального сжатия для косвенной оценки прочности на растяжение хрупких материалов. Предложена расчетная формула для косвенной оценки прочности на растяжение хрупких материалов по результатам испытаний малоразмерных коротких цилиндров как с центральным отверстием, так и без него по схеме диаметрального сжатия.

1. Rodriguez J., Navarro C., Sanchez-Galvez V. Splitting tests: an alternative to determine the dynamic tensile strength of ceramic materials / Journal de Physique IV Colloque. 1994. N 04(C8). P. C8-101 – C8-106. DOI: 10.1051/jp4:1994815

2. Bell F. G. Rock properties and their assessment / Selley, R. C., Ed. Encyclopedia of Geology. — Amsterdam: Elsevier, 2005. P. 566 – 580. DOI: 10.1016/b0-12-369396-9/00211-2

3. Drouet C., Largeot C., Raimbeaux G., Estournès C., Dechambre G., Combes C., Rey C. Bioceramics: spark plasma sintering (SPS) of calcium phosphates / Advances in Science and Technology. 2006. Vol. 49. P. 45 – 50. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AST.49.45

4. Proveti J. R. C., Michot G. The Brazilian test: a tool for measuring the toughness of a material and its brittle to ductile transition / Int. J. Fract. 2006. 139. P. 455 – 460. DOI: 10.1007/s10704-006-0067-6

5. Akhtar F., Vasiliev P. O., Bergström L. Hierarchically Porous Ceramics from Diatomite Powders by Pulsed Current Processing / J. Am. Ceram. Soc. 2009. N 92(2). P. 338 – 343. DOI: 10.1111/j.1551-2916.2008.02882.x

6. Es-Saheb M. H., Albedah A., Benyahia F. Diametral compression test: validation using finite element analysis / Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2011. Vol. 57. P. 501 – 509. DOI: 10.1007/s00170-011-3328-0

7. Bragov A. M., Konstantinov A. Y., Lamzin D. A., Lomunov A. K., Filippov A. R. Dynamic deformation and destruction of brittle structurally inhomogeneous media / Probl. Prochn. Plast. 2012. Issue 74. P. 59 – 67 [in Russian].

8. Molotnikov V. Ya., Molotnikova A. A. Notes on the Brazilian method for studying the tensile strength of brittle materials / Vestn. DGTU. 2014. Vol. 14. N 4(79). P. 30 – 38 [in Russian]. DOI: 10.12737/6889

9. Zaytsev D., Panfilov P. Deformation behavior of human dentin in liquid nitrogen: A diametral compression test / Materials Science and Engineering. 2014. Vol. 42. P. 48 – 51. DOI: 10.1016/j.msec.2014.05.011

10. Patil S. G., Sajjan M. S., Patil R. The effect of temperature on compressive and tensile strengths of commonly used luting cements: an in vitro study / J. Int. Oral Health. 2015. Vol. 7(2). P. 13 – 19.

11. Mazel V., Guerard S., Croquelois B., Kopp J.-B., Girardot J., Harona D., Busignies V., Tchoreloff P. Reevaluation of the diametral compression test for tablets using the flattened disc geometry / International Journal of Pharmaceutics. 2016. N 513(1 – 2). P. 669 – 677. DOI: 10.1016/j.ijpharm.2016.09.088

12. Rocha J. A. L., Wahrhaftig A. M. Superposition of Stress Fields in Diametrically Compressed Cylinders / Latin American Journal of Solids and Structures. 2016. Vol. 13. P. 1954 – 1967. DOI: 0. 1590/1679-782526

13. Zaitsev D. V., Kochanov A. N., Toktogulov Sh. Zh., Panteleev I. A., Panfilov P. E. Influence of the scale effect and heterogeneity of displaced rocks in determining their strength properties / Gorn. Inf.-Anal. Byull. 2016. N 11. P. 208 – 215 [in Russian].

14. Markides C. F., Kourkoulis S. K. Parametric study of the deformation of transversely isotropic discs under diametral compression / Frattura ed Integrità Strutturale. 2017. Vol. 41. P. 396 – 411. DOI: 10.3221/IGF-ESIS.41.51

15. Horynová M., Casas-Luna M., Montufar E. B., Diaz-de-la-Torre S., Celko L., Klakurková L., Diéguez-Trejo G., Dvorak K., Zikmund T., Kaiser J. Fracture Mechanism of Interpenetrating Iron-Tricalcium Phosphate Composite / Solid State Phenomena. 2017. Vol. 258. P. 333 – 336. DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.258.333

16. Luginina M., Orru R., Cao G., Grossin D., Brouillet F., et al. First successful stabilization of consolidated amorphous calcium phosphate (ACP) by cold sintering: toward highlyresorbable reactive bioceramics / Journal of materials chemistry B, Royal Society of Chemistry. 2020. Vol. 8(4). P. 629 – 635. DOI: 10.1039/c9tb02121c

17. ASTM D3967-95a. Standard Test Method for Splitting Tensile Strength of Intact Rock Core Specimens.

18. Wang Q. Z., Jiaa X. M., Koub S. Q., Zhangh Z. X., Lindgvistg P. A. / Int. J. of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2004. Vol. 41. Issue 2. February. P. 245 – 253.

19. Grigoriev E. G., Rosliakov A. V. Electro-discharge compaction of WC-Co and W-Ni-Fe-Co composite materials / Journal of Materials Processing Technology. 2007. Vol. 191. N 1 – 3, P. 182 – 184. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2007.03.016

20. Smirnov K. L., Grigoryev E. G., Nefedova E. V. SiAlON-TiN Ceramic Composites by Electric Current Assisted Sintering / Materials Science Forum. 2019. Vol. 946. February. P. 53 – 57. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.946.53

21. Klyatskina E. A., Borrell A., Grigoriev E. G., Zholnin A. G., Salvador M. D., Stolyarov V. V. Structure features and properties of graphene Al2O3 composite / Journal of Ceramic Science and Technology. 2018. Vol. 9. N 3. P. 215 – 224. DOI: 10.4416/JCST2018-00006

22. Goltsev V. Y., Osintsev A. V., Plotnikov A. S. / Letters of Materials. 2017. Vol. 7(1). P. 21 – 25 [in Russian]. DOI: 10.22226/2410-3535-2017-1-21-25

23. Release 16. 2 Documentation for ANSYS [electronic document] / ANSYS Inc. Electronic data and software.

24. NAFEMS search engineering analysis and simulation — FEA, Finite Element Analysis, CFD, Computational Fluid Dynamics, and Simulation. — NAFEMS Ltd., Hamilton, United Kingdom.

25. Sutton M. A., Orteu J. J., Schreier H. W. Image Correlation for Shape, Motion and Deformation Measurements: basic concepts, theory and applications. — Springer, 2009. P. 321.

26. Chu T. C., Ranson W. F., Sutton M. A., Peters W. H. / Experimental mechanics. 1985. Vol. 25(3). P. 232 – 245.