This paper is an attempt to connect fracture energy and inelastic behaviout of materials. particularly of polymers.
Although this connectjon has been postulated for many years. there have in the past been experimental and theoretical problems in proving the link. These probfems have now been circumvented through the use of a simple tearing method. easily analysed by the energy balance approach.
It is demonstrated by theory and by model experiments that when the stress field around a crack changes in shape as a result of elastic or inelastic effects l,be they viscoelastic. plastic, or craze damage phenomena) then the cracking force changes and the fracture energy of the material appears to alter. Elastic changes can increase or decrease the fracture force, whereas inelastic behaviour always increases it.
Such inelastic behaviour can be induced in a polymer by driving it through its mechanical damping transitions by changes in temperature. The fracture energy of the polymer shows steps or peaks at the transition temperature. Another approach is to increase the hysteresis of a polymer by adding colloidal filler particles. This also causes an increase in fracture energy. thereby reinforcing the material.
Resum&-Dans cet article, nous essayons de relier I'energie de rupture et le comportement intlastique de certains materiaux, et en particulier des polymeres.
Bien que Ton ait suggere depuis de nombreuses annees I'existence de telles relations. on s'ttait heurti dam le passe a des probltmes experimentaux et theoriques, lorsqu'on voulait essayer de les demontrer. Ces diflicultes ont ete contournees en utilisant une fason de d&hirer simpie, analyst&z aiiment par L'approche du bilan energetique.
Nous demontrons th~oriquement et ex~rimenta~ement que lorsque la forme du champ de contraintt autour d'une fissure change, par par suite d'eKets ilastiques ou inelastiques (qu'ils soient viscoelastiques. ptastiques ou qu'ils proviennent de craquelures), la force de fissuraton change et IYnergie de rupture semble varier. Les effets elasfiques peuvent augmenter ou diminuer la force de rupture, alors que les effets intlastiques I'augmentent toujours.
On peut obtenir un tel comportement inelastique dans le cas d'un polymere en lui faisant subir des transitions d'amortissement mtcanique. en changeant la temperature. L'inergie de rupture du polymere presente des marches ou des pits aux temperatures de transition. On peut Cgalement augmenter l'hystbhe d'un polymere en lui ajoutant des particules colldidales. Ceci produit egafement une augmentation de I'energie de rupture. ce qui renforce le materiau. Zusammenfassung-In dieser Arbeit soli versucht werden, eine Beziehung zwischen Bruchenergie und inelastischem Verhalten eines Materials, insbesondere Polymers, aufzustellen. Beim Nachweis dieser seit einigen Jahren postulierten Beziehung bestanden jedoch experimentelle und theoretische Schwierigkeiten. Diese Schwierigkeiten wurden jetzt mit der Anwendung einer einfachen ZerreiBmethode umgangen. die in der Naherung des Energiegleichgewichtes einfach analysiert werden kann. Es wird theoretisch und mit Modellexperimenten nachgewiesen, daR die Rigspannung sich Pnden und die Bruchspannung sich scheinbar verandert, wenn das Spannungsfeld urn einen Rig sich wegen elastischer oder inelastischer Effekte (viskoel~tische, plastische oder 'craze'-Eifekte) Indert. Elastische Anderungen kiinnen die Ri~spannun~ vergriigern oder verkleinern. wohingegen inelastisches Verhalten diese immer vergrogern. Ein solches inelastisches Verhalten kann in einem Polymeren herbeigefuhrt werden. idem dieser durch seine Bereiche mechanischer Dlmpfung durch Temperaturwechsel hindurchgefiihrt wird. Die Bruchenergie dieses Polymers neist Spriinge oder Maxima bei der Ubergangstemperatur auf. Eine andere Moglichkeit besteht darin. daB die Wysterese eines Polymers mit der Zugabe von Kolloidfiillern vergro&ert wird. Damit wird such die Bruchenergie angehoben, zusatzlich das Material verstirkt.