Crack propagation at supersonic velocities, I

Abstract

Measurements of crack velocities in KC1 crystals an order of magnitude greater than the velocity of the fastest elastic wave are reported. Fracture was produced by irradiation with a giant impulse laser, and average crack propagation velocities of the order of 10⁴ to 10⁵ m/sec were inferred from the sizes of cleavage cracks in photographs taken approximately 80 nsec after beginning of irradiation.

These results are the first experimental observations which contradict the prediction of crack-propagation theories that crack velocities cannot exceed sound speeds. The supersonic speeds are attributed to the unusual experimental conditions, which permitted energy to be supplied to the crack front at unusually high rates. A plasma, induced within the specimen by the laser pulse, is shown to be capable of driving a crack at supersonic speeds.

Résumé

On a procédé à des mesures de vitesse de fissuration dans des cristaux de KCl, et 1'on a observé que ces vitesses étaient d'un ordre de grandeur supérieures à celles des ondes é1astiques les plus rapides

La rupture a été amorcée dans des monocristaux de KCl en les irradiant á 1'aide d'un laser géant á impulsions; des vitesses de propagation de 1'ordre de 10⁴ á ¹⁰⁵ m/sec ont pu être estimées en se basant sur les dimensions des fissures de clivage observées sur des photographies prises environ 80 nsec après le début de 1'irradiation.

Ces résultats constituent les premières observations expérimentales qui sont en contradiction avec les théories de propagation des fissures, en vertu desquelles les vitesses de propagation ne peuvent excéder les vitesses soniques. Ces vitesses supersoniques sont attribuées aux conditions inhabituelles de 1'expérience, au cours de laquelle la fissure se voit conféré une énergie par unité de temps exceptionnellement é1evée. On montre que 1'émission de plasma dont l'échantillon serait le siège an cours de Firradiation laser, est à même d'entrainer la fissuration à des vitesses supersoniques.

Zusammenfassung

Es wird über die Beobachtung von Bruchgeschwindigkeiten in KCl-Einkristallen berichtet, die um eine Größenordnung höher als die größte Wellengeschwindigkeit sind. Die Brüche werden durch Laser-Riesenimpulse erzeugt. Aus der Größe von Spaltbruchen auf photographischen Aufnahmen, die etwa 80 nsec nach Beginn des Laserimpulses gemacht werden, wird geschlossen, daß durchschnittliche Bruchgeschwindigkeiten von 10⁴ his 10⁵ m/sec vorgelegen haben.

Diese experimentellen Ergebnisse widersprechen scheinbar den vorhandenen Bruchtheorien, nach denen die Bruchgeschwindigkeiten nicht größer als die elastischen Wellengeschwindigkeiten sein können. Die Überschallgeschwindigkeiten werden den ungewöhnlichen Belastungsbedingungen zugeschrieben, die es gestatten, Energie außerordentlich schnell zur Bruchfront nachzuliefern. Es wird gezeigt, daß ein innerhalb der Probe vom Laserimpuls erzeugtes Plasma einen Bruch mit Überschallgeschwindigkeit vorantreiben kann.