An experimental investigation into dynamic fracture: IV. On the interaction of stress waves with propagating cracks

Abstract

This is the last in a series of four papers dealing with experimental observations of dynamic crack propagation in thin, large sheets of a Homalite 100 plastic material which allow simulation of crack growth in unbounded plates. In the first paper crack initiation resulting from stress wave loading was examined as well as crack arrest. It was found that for increasing rates of loading in the microsecond range the stress intensity factor required for initiation rises markedly. Crack arrest occurs abruptly without any deceleration phase at a stress intensity lower than that which causes initiation under quasi-static loading.

In the second paper we analyze the occurrence of micro cracks at the front of the running main crack which control the rate of crack growth. The micro cracks are recorded by real time photography. By the same means it is shown that these micro cracks grow and turn away smoothly from the direction of the main crack in the process of branching.

The third paper questions the existence of a unique relation between the instantaneous stress intensity factor and the instantaneous crack speed. It is shown that the crack propagates with constant velocity from the instant of initiation, even though the stress intensity factor varies considerably during crack propagation. The limiting crack speed is viewed as a consequence of crack tip micro-fracturing discussed in the second paper of the series. The crack branching is considered as a natural evolution of the micro fracturing process with certain statistical features.

In this last paper we examine the effect of stress waves impinging on the tip of a running crack. The stress waves are induced by (a) reflection from the boundary through a judicious choice of specimen geometry and (b) through use of a second stress wave generator. It is found that these waves affect the direction of propagation, the crack speed, and the process of branching. However, we conclude that while stress waves modify the process of crack branching they do not by themselves constitute the reason for crack branching. Also, it is demonstrated how wave reflections in small specimens may complicate dynamic crack propagation behavior and thereby the interpretation of results.

Résumé

Ceci est le dernier mémoire d'une série de quatre consacrés à des observations expérimentales sur la propagation dynamique d'une fissure dans des feuilles minces et longues d'un matériau plastique — l'Homalite 100 — qui permet de simuler une propagation de fissure dans des tôles non limitées. Dans le premier mémoire, on a examiné l'amorçage d'une fissure résultant d'une sollicitation en onde, ainsi que son arrêt. On a trouvé que pour des vitesses de mise en charge atteignant l'ordre de la microseconde, le facteur d'intensité de contrainte nécessaire à l'amorçage s'accroît de manière marquante. L'arrêt de la rupture survient brutalement sans phase de décélération et correspond à un facteur d'intensité de contrainte plus faible que celui qui est nécessaire pour créer l'amorçage en condition quasi statique.

Dans le deuxième mémoire, on s'attache à analyser l'apparition de microfissures en avant d'une fissure principale en propagation, et qui contrôlent la vitesse de cette propagation. On procède, pour ce faire, à leur enregistrement par photographie en temps réel et on montre, par le même procédé, que ces microfissures s'étendent et s'écartent peu à peu de l'axe de la fissure principale, induisant un processus d'arborescence.

La troisième étude s'interroge sur l'existence d'une relation unique entre le facteur d'intensité de contrainte instantanée et la vitesse instantanée de la fissure. On montre que la fissure se propage à une vitesse constante dés son initiation, même si le facteur d'intensité de contrainte évolue de manière marquante au cours de la phase de propagation. La vitesse limite de la fissure est considérée comme une conséquence de la microfissuration survenant à la pointe de la fissure, ainsi qu'il en est discuté dans l'étude précédente. L'arborescence de la fissure est, quant à elle, considérée comme une évolution naturelle du processus de micro-rupture, tenant compte de considérations statistiques.

Dans le présent mémoire, on examine l'effet d'ondes de contraintes appliquées à l'extrémité d'une fissure en propagation. Ces contraintes sont induites soit par une réflection sur une surface libre, dans une configuration judicieuse de géométrie d'éprouvette, soit par l'utilisation d'un générateur d'ondes.

On établit que ces ondes ont une influence sur la direction de la propagation, sur la vitesse de la fissure, et sur le processus d'efflorescence.

Toutefois, on conclut que si des ondes de contraintes modifient le processus d'efflorescence, elles n'en constituent par pour autant la cause. On démontre également dans quelle mesure des réflexions d'ondes dans des petites éprouvettes peuvent singulièrement compliquer le comportement à la propagation d'une fissure, ainsi que l'interprétation des résultats.