Выполнение испытаний на Y-образную резку, установленных на микроскопе

Нелинейная механика сплошных сред предоставила критическую линзу, через которую можно понять концентрацию энергии, которая приводит к сбою в мягких твердых телах¹. Однако точное предсказание этого сбоя также требует описания микроструктурных характеристик, которые способствуют созданию новой поверхности на кончике^{трещины 2,3}. Одним из методов подхода к таким описаниям является визуализация in situ наконечника трещины во время отказа ^4,5. Однако притупление трещин в типичных испытаниях на трещины в дальнем поле затрудняет получение данных in situ путем распространения сильно деформированного материала, потенциально за пределами поля зрения микроскопа⁶. Y-образная резка предлагает уникальную альтернативу для микроструктурной визуализации, поскольку она концентрирует область большой деформации на кончике лезвия⁷. Кроме того, предыдущая работа нашей группы демонстрирует, что этот уникальный экспериментальный подход может дать представление о различиях в реакции на отказ между разрывом дальнего поля и условиями контактно-опосредованной нагрузки⁷.

Y-образный метод резки, используемый в представленном здесь аппарате, был впервые описан десятилетия назад как метод резки для натурального каучука⁸. Метод состоит из неподвижного лезвия, проталкивающего предварительно загруженный Y-образный испытательный образец. На пересечении «Y» находится наконечник трещины, который создается перед испытанием путем разделения части прямоугольного куска на две равные «ножки» (рисунок 1B и рисунок 2D). Основные преимущества этого метода резки включают в себя уменьшение вклада трения в измеренную энергию резания, переменную геометрию лезвия (т. Е. Ограничение геометрии наконечника трещины), контроль частоты отказов (через скорость смещения образца) и раздельную настройку резки, C и разрыва, T, энергетический вклад в общую энергию _{разреза} G (т. Е. изменение энергии разрушения сверх порога резания)⁸. Последние вклады выражаются в простой, закрытой форме выражения для энергии резания⁹

Экн (1)

который использует экспериментально выбранные параметры, включая толщину образца, t, среднюю деформацию ноги, силу преднатяга, f_pre и угол между ножками и осью резания, θ. Сила резания, f_реза, измеряется с помощью аппарата, как описано в Zhang et ^al.9. Примечательно, что представленный здесь аппарат включает в себя новый, простой и точный механизм для настройки угла ноги, θ, и обеспечения центрирования образца. Хотя обе функции имеют решающее значение для установки, установленной на микроскопе, механизм может принести пользу будущим вертикальным реализациям теста на Y-образную резку, а также за счет повышения простоты использования.

Прогресс в определении соответствующих критериев разрушения для мягких твердых тел продолжается с момента раннего успеха независимой от образца геометрии разрушения, введенной Ривлином и Томасом¹⁰. Были использованы критические скорости высвобождения энергии¹⁰, законы когезивных зон¹¹ и различные формы приближения к напряжению или энергии на расстоянии ^12,13,14. Недавно Чжан и Хатченс использовали последний подход, продемонстрировав, что Y-образная резка с достаточно малым радиусом лезвий может привести к пороговым условиям разрушения для мягкого разрушения⁷: пороговая энергия разрушения и пороговая шкала длины для отказа, которая колеблется от десятков до сотен нанометров в однородном, высокоэластичном полидиметилсилоксане (PDMS). Эти результаты были объединены с моделированием континуума и теорией масштабирования для разработки взаимосвязи между резкой и разрывом в этих материалах, тем самым демонстрируя полезность Y-образной резки для обеспечения понимания всех режимов мягкого разрушения. Однако поведение многих классов материалов, включая диссипативные и композиционные материалы, остается неисследованным. Ожидается, что многие из них будут демонстрировать эффекты, управляемые микроструктурой, в масштабах длины выше длины волны видимого света. Поэтому в этом исследовании был разработан аппарат, который позволяет впервые получить ближнюю визуальную характеристику этих эффектов во время Y-образной резки (например, в композитах, включая мягкие ткани, или диссипативных процессов, ожидаемых на микрометре до миллиметра в масштабах¹⁵).