Эволюция когезионной зоны в процессе динамического роста трещин поперечного сдвига в хрупких материалах

Сдвиговые трещины в хрупких материалах, как правило, распространяются со скоростями, меньшими скорости волны Рэлея, но в некоторых случаях способны преодолевать этот порог. Ключевую роль в динамике роста трещины играют процессы в когезионной зоне перед вершиной трещины. Малые размеры когезионной зоны и динамическая природа роста трещин в хрупких материалах затрудняют ее экспериментальное изучение, что делает актуальным применение численного моделирования. В работе численно исследованы особенности роста трещины поперечного сдвига в хрупких материалах и показано, как динамика роста трещины связана с эволюцией когезионной зоны, в частности с изменением ее протяженности и напряженного состояния. Исследование проведено с использованием метода дискретных элементов и оригинальной модели разрушения, основанной на принципах структурно-кинетической теории прочности. Показано, что режим и установившееся значение скорости роста трещины контролируются напряжениями в когезионной зоне. В частности, переход трещины в сверхсдвиговый режим роста обусловлен образованием дочерней трещины в области максимальных касательных напряжений в когезионной зоне. Установлено, что длина когезионной зоны не является материальной константой, но варьируется в процессе роста трещины в результате постоянного перераспределения сдвиговых напряжений, которое носит периодический характер. Характеристики динамических колебаний длины контролируются аналогичными параметрами изменения напряженного состояния когезионной зоны, которые, в свою очередь, определяются величиной плотности упругой энергии, запасенной в окружающем объеме материала.