Джон Долбоу, профессор машиностроения и материаловедения в Университете Дьюка, и Оскар Лопес-Памис, профессор гражданского и экологического строительства в Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне, сотрудничали в области вычислительной механики разрушения, чтобы лучше понять и предсказать разрушение материалов. Их работа была опубликована в Журнале механики и физики твердого тела.
В основе их исследований лежит надежда на исправление старой формулы, используемой для проверки прочности хрупких материалов, что будет иметь важные последствия в строительстве, производстве и даже в медицине. Десятилетия назад бразильский тест был создан для измерения предела разрушения хрупких материалов, но его история уходит корнями в невыполнимую задачу.
Фернандо, бакалавр права «Лобо» Карнейро
(1913–2001) основал бразильский тест буквально на перепутье. В Рио-де-Жанейро в середине 20-го века общине нужно было переместить церковь, стоявшую на важном перекрестке. А если бы не придумали, как, то барочное здание пришлось бы снести. Карнейру было поручено разработать решение этой масштабной операции, и, чтобы избежать разрушения церкви, он предложил положить под нее бетонные катки, чтобы они могли переместить церковь, перекатив ее на новое место.
Но сначала катки нужно было опробовать.
Испытывая бетонные диски на сжатие, Карнейро заметил, что по мере увеличения нагрузки диски имели тенденцию раскалываться на две части прямо посередине. Он быстро понял, что происходит; хотя диски сжимались вертикально, они также подвергались растяжению в горизонтальном направлении.
Поскольку бетон относительно слаб при растяжении по сравнению с сжатием, этот режим разрушения возник первым. Карнейро случайно открыл простой способ косвенного измерения прочности на растяжение таких материалов, как бетон, например, камни. Так родился «Бразильский тест», стандартный тест для хрупких материалов, который использовался с тех пор, как Карнейро впервые представил его в 1943 году.
В этом испытании используются две жесткие пластины для сжатия диска материала до его разрушения, и оно широко используется из-за простоты подготовки образца и приложения нагрузок.
За последние несколько десятилетий этот тест также стал предметом многочисленных дискуссий. Элегантная формула, предложенная Карнейро для извлечения прочности из пиковой силы, зафиксированной в ходе испытания, была модифицирована, например, ASTM International. Некоторые исследователи также предположили, что испытание просто недействительно, если разрушение не начинается прямо в середине образца, а не рядом с пластинами, к которым прикладываются нагрузки.
Все это происходит из-за неправильного понимания того, как материалы разрушаются, а также из-за взаимодействия между прочностью и внезапным появлением трещин, по крайней мере, согласно недавним исследованиям, направленным на исправление формулы, лежащей в основе метода Карнейро.
«Наш вид уже давно пытается понять, что такое перелом», — сказала Лопес-Памис. «Когда вещи подвергаются достаточно большой силе, в конце концов они ломаются, верно? Это имеет значение во всем, что связано с твердыми телами».
По словам Лопес-Памис, бразильский тест — это образец того, что люди думают о переломах, которые кажутся вечными. Тест «имеет очень серьезные заблуждения, которые исследователи до сих пор применяют, но они получат неправильные выводы, потому что его предпосылка неверна».
Долбоу и Лопес-Памис выявляют фундаментальную проблему традиционного понимания прочности материала и внезапного появления трещин, подчеркивая необходимость теоретической основы, которая точно описывает эти явления. Они утверждают, что заблуждения возникают, когда при приложении напряжений уделяется внимание только напряжению и происходит разрушение, которое на самом деле является всего лишь одним скаляром.
«Если вы смогли отслеживать силы или напряжения в системе, это само по себе не скажет вам, когда появятся трещины», — объяснил Лопес-Памис. «Таким образом, существуют неправильные представления об одном измерении по сравнению с несколькими измерениями, когда речь идет о бразильском тесте». Механические функции этого метода также имеют значение в областях, тесно связанных с инженерией, например в медицине.
В качестве примера Долбоу приводит литотрипсию. Медицинская процедура используется врачами для разрушения камней в почках и во многом определяет направление их исследований в области разрушения материалов . Он говорит, что эта процедура важна для понимания структуры их исследования, поскольку в этом случае желаемым результатом является перелом.
«В нашей лаборатории мы работаем с особым материалом под названием BegoStone, потому что его механические свойства очень близки к камням в почках», — объяснил он.
В конечном итоге они осознали недопонимание, лежащее в основе бразильского теста, когда использовали его для измерения прочности на разрыв своих образцов BegoStone.
Результаты просто не имели смысла с другими измерениями, поэтому они начали подвергать сомнению предположения, лежащие в основе самого теста. Они довольно быстро обнаружили, что совокупное состояние сжатия и растяжения действительно имеет значение, и этот факт упускался из виду на протяжении десятилетий. Формула Карнейро «довольно близка, но в некоторых случаях ошибки могут быть существенными», — сказал Долбоу.
Их исследование предлагает простую модификацию формулы, которая может привести к более точной оценке свойств материала, влияя на то, как материалы выбираются и используются в строительстве, производстве и медицинских процедурах. Важно отметить, что такая модификация позволяет сделать испытание действительным независимо от того, начинаются ли трещины в середине образца или вблизи пластин, к которым прикладываются нагрузки.
Более того, Долбоу и Лопес-Памис предполагают потенциальный сдвиг парадигмы в том, как исследователи и практики измеряют прочность на разрыв и прогнозируют разрушение материала. Этот сдвиг может проложить путь к прогрессу в теории механики разрушения и ее применению в различных отраслях, но в конечном итоге он подчеркивает необходимость инновационных идей в инженерных практиках, которые бросают вызов статус-кво.
