$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Nieliniowa mechanika kontinuum dostarczyła kluczowej soczewki, dzięki której można zrozumieć koncentrację energii, która prowadzi do awarii w miękkich ciałach stałych1. Jednak dokładne przewidywanie tego uszkodzenia wymaga również opisów cech mikrostrukturalnych, które przyczyniają się do powstawania nowej powierzchni na wierzchołku pęknięcia2,3. Jedną z metod podejścia do takich opisów jest wizualizacja in situ wierzchołka pęknięcia podczas awarii4,5. Jednak stępienie pęknięć w typowych testach pękania w dalekim polu sprawia, że pozyskiwanie danych in situ jest trudne poprzez rozproszenie wysoce zdeformowanego materiału, potencjalnie poza polem widzenia mikroskopu6. Cięcie w kształcie litery Y stanowi unikalną alternatywę dla wizualizacji mikrostrukturalnej, ponieważ koncentruje obszar dużego odkształcenia na czubku ostrza7. Co więcej, wcześniejsze prace naszej grupy pokazują, że to unikalne podejście eksperymentalne może dostarczyć wglądu w różnice w reagowaniu na awarie między rozrywaniem w dalekim polu a warunkami obciążenia za pośrednictwem kontaktu7.
Metoda cięcia w kształcie litery Y, zastosowana w prezentowanym tutaj urządzeniu, została po raz pierwszy opisana dziesiątki lat temu jako metoda cięcia kauczuku naturalnego8. Metoda polega na tym, że nieruchome ostrze przecina się przez wstępnie obciążoną próbkę w kształcie litery Y. Na przecięciu litery "Y" znajduje się końcówka pęknięcia, która jest tworzona przed testowaniem poprzez podzielenie części prostokątnego elementu na dwie równe "nogi" (Rysunek 1B i Rysunek 2D). Do głównych zalet tej metody cięcia należy zmniejszenie udziału tarcia w mierzonej energii skrawania, zmienna geometria ostrza (tj. ograniczenie geometrii końcówki pęknięcia), kontrola awaryjności (poprzez szybkość przemieszczenia próbki) oraz oddzielne dostrojenie cięcia, C i rozerwania, T, wkładów energii w całkowitą energię cięcia G (tj. Zmiana energii uszkodzenia powyżej progu cięcia)8. Te ostatnie wkłady są wyrażone w prostym, zamkniętym wyrażeniu dla energii cięcia9
Eqn (1)
który wykorzystuje eksperymentalnie wybrane parametry, w tym grubość próbki, t, średnie odkształcenie nogi,
, siła napięcia wstępnego, fpre oraz kąt między ramionami a osią cięcia, θ. Siła skrawania, fcut, jest mierzona za pomocą aparatury, jak opisano w Zhang et al.9. Warto zauważyć, że prezentowane tutaj urządzenie zawiera nowy, prosty i dokładny mechanizm dostrajania kąta nogi, θ i zapewnienia, że próbka jest wyśrodkowana. Chociaż obie funkcje mają kluczowe znaczenie dla konfiguracji montowanej pod mikroskopem, mechanizm może przynieść korzyści w przyszłych pionowych implementacjach testu cięcia w kształcie litery Y, zwiększając łatwość użytkowania.
Postęp w określaniu odpowiednich kryteriów zniszczenia dla miękkich ciał stałych trwa od wczesnego sukcesu geometrii pękania niezależnych od próbki, wprowadzonych przez Rivlina i Thomasa10. Zastosowano krytyczne współczynniki uwalniania energii10, prawa strefy kohezyjnej11 oraz różne formy podejścia do stresu lub energii na odległość12,13,14. Ostatnio Zhang i Hutchens wykorzystali to drugie podejście, wykazując, że cięcie w kształcie litery Y z ostrzami o wystarczająco małym promieniu może dać progowe warunki uszkodzenia dla miękkiego pękania7: progowa energia uszkodzenia i progowa skala długości dla uszkodzenia, która waha się od dziesiątek do setek nanometrów w jednorodnym, wysoce elastycznym polidimetylosiloksanie (PDMS). Wyniki te połączono z modelowaniem kontinuum i teorią skalowania, aby opracować związek między cięciem a rozdzieraniem w tych materiałach, demonstrując w ten sposób użyteczność cięcia w kształcie litery Y w celu uzyskania wglądu we wszystkie tryby miękkiego uszkodzenia. Jednak zachowanie wielu klas materiałów, w tym materiałów rozpraszających i kompozytowych, pozostaje niezbadane. Przewiduje się, że wiele z nich będzie wykazywać efekty zależne od mikrostruktury w skalach długości przekraczających długość fali światła widzialnego. W związku z tym w tym badaniu zaprojektowano aparaturę, która po raz pierwszy pozwala na dokładną wizualną charakterystykę tych efektów podczas cięcia w kształcie litery Y (np. w kompozytach, w tym tkankach miękkich, lub w procesach rozpraszających, przewidzianych w skalach długości od mikrometra do milimetra15).