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Linear Elastic Fracture Mechanics Predicts the Propagation Distance of Frictional Slip

Résumé

When a frictional interface is subject to a localized shear load, it is often (experimentally) observed that local slip events propagate until they arrest naturally before reaching the edge of the interface. We develop a theoretical model based on linear elastic fracture mechanics to describe the propagation of such precursory slip. The model's prediction of precursor lengths as a function of external load is in good quantitative agreement with laboratory experiments as well as with dynamic simulations, and provides thereby evidence to recognize frictional slip as a fracture phenomenon. We show that predicted precursor lengths depend, within given uncertainty ranges, mainly on the kinetic friction coefficient, and only weakly on other interface and material parameters. By simplifying the fracture mechanics model, we also reveal sources for the observed nonlinearity in the growth of precursor lengths as a function of the applied force. The discrete nature of precursors as well as the shear tractions caused by frustrated Poisson's expansion is found to be the dominant factors. Finally, we apply our model to a different, symmetric setup and provide a prediction of the propagation distance of frictional slip for future experiments.

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Concepts associés (28)
Rupture (matériau)
thumb|Courbe de traction idéale d'un matériau ductile thumb|Courbe de traction typique pour un matériau fragile En science des matériaux, la rupture ou fracture d'un matériau est la séparation, partielle (comme une crique ou une fissure ou une brisure) ou complète, en deux ou plusieurs pièces sous l'action d'une contrainte. Une rupture peut être souhaitée par le concepteur de la pièce comme dans le cas de la conception de dispositifs de sécurité ou au contraire celui-ci cherche à éviter cette rupture en mettant en adéquation la fonction de cette pièce avec les dimensionnements et choix des matériaux utilisés et des procédés de fabrication.
Ténacité
La ténacité est la capacité d'un matériau à résister à la propagation d'une fissure. On peut aussi définir la ténacité comme étant la quantité d'énergie qu'un matériau peut absorber avant de rompre, mais il s'agit d'une définition anglophone. En anglais, on fait la différence entre « toughness », l'énergie de déformation à rupture par unité de volume (, ce qui correspond aussi à des pascals) et « », la ténacité au sens de résistance à la propagation de fissure.
Mécanique de la rupture
La catastrophe du Vol 587 American Airlines s'explique par la rupture de la dérive de l'appareil.|vignette La mécanique de la rupture tend à définir une propriété du matériau qui peut se traduire par sa résistance à la rupture fragile (fracture) ou ductile. Car si les structures sont calculées pour que les contraintes nominales ne dépassent pas, en règle générale, la limite d'élasticité du matériau et soient donc par voie de conséquence à l'abri de la ruine par rupture de type ductile ; elles ne sont pas systématiquement à l'abri d'une ruine causée par la présence d'une fissure préexistante à la mise en service ou créée en service par fatigue (comme lors de la catastrophe ferroviaire de Meudon) ou par corrosion sous contrainte.
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