Об одной особенности деформационного поведения скорлупы птичьих яиц

Авторы

P. Panfilov ¹ , Maxim Mezhenov ² , Jinming Guo ³ , Д.В. Зайцев ^1, ²

¹ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», г. Екатеринбург, Россия

² Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Уральский государственный горный университет», г. Екатеринбург, Россия

³ Hubei University, Ухань, Китай

10.17586/2687-0568-2024-6-3-96-112

Rev. Adv. Mater. Technol., 2024, vol. 6, no. 3, pp. 96–112

Аннотация

Изучено деформационное поведение скорлупы яиц разных птиц при 3-х точечном изгибе. Скорлупа птичьих яиц – это биоминерал, состоящий примерно на 90% из карбоната кальция. В работе была изучена скорлупа яиц нескольких видов птиц: из каждой было вырезано по два набора образцов. Механические испытания проводили на сухих и влажных образцах на воздухе. Трещины в образцах из скорлупы при изгибе изучались in situ на световом микроскопе. У всех видов птиц скорлупа демонстрировала хрупкое поведение в макроскопическом масштабе как в сухом, так и во влажном состоянии. Однако ширину трещины можно увеличить, увеличивая стрелу прогиба, подобно тому, как это происходит в пластичных металлах при растяжении. Вода вызывает некоторое снижение прочности яичной скорлупы при изгибе. Морфология трещин в яичной скорлупе при изгибе оказалась подобной морфологии трещины в области шейки плоского алюминиевого образца. На этом основании делается заключение, что скорлупа птичьих яиц при изгибе в микроскопическом масштабе демонстрирует признаки вязкого разрушения.

Ключевые слова

биоминералы; скорлупа птичьих яиц; изгиб; деформация; разрушение

Финансирование

Russian Science Foundation: 23-29-00253

Ссылки

1.    U.G.K. Wegst, H. Bai, E. Saiz, A.P. Tomsia, R.O. Ritchie, Bioinspired structural materials, Nat. Mater., 2015, vol. 14, no. 1, pp. 23-36.
2.    S.E. Naleway, M.M. Porter, J. McKittrick, M.A. Meyers, Structural Design Elements in Biological Materials: Application to Bioinspiration, Adv. Mater., 2015, vol. 27, no. 37, pp. 5455-5476.
3.    Z. Jia, Y. Yu, S. Hou, L. Wang, Biomimetic architected materials with improved dynamic performance, J. Mech. Phys. Solids, 2019, vol. 125, p. 178-197.
4.    S.E. Solomon, The eggshell: strength, structure and function, British Poultry Science, 2010, vol. 51, no. sup1, pp. 52-59.
5.    A. Rodriguez-Navarro, O. Kalin, Y. Nys, J. Garcia-Ruiz, Influence of the microstructure on the shell strength of eggs laid by hens of different ages, British Poultry Science, 2002, vol. 43, no. 3, pp. 395-403.
6.    D. Taylor, M. Walsh, A. Cullen, P. O'Reilly, The fracture toughness of eggshell, Acta Biomater., 2016, vol. 37, pp. 21-27.
7.    M. Mezhenov, D. Zheludkov, A.V. Kabanova, D. Zaytsev, P. Panfilov, Deformation Behavior of Chicken Eggshell, AIP Conf. Proc., 2022, vol. 2509, no. 1, art. no. 020131.
8.    P. Panfilov, D. Zaytsev, M. Mezhenov, S. Grigoriev, Bending Deformation Behavior of Eggshell and Eggshell-Polymer Composites. J.Compos. Sci., 2023, vol. 7, no. 8, art. no. 336.
9.    A.I. Malkin, D.A. Popov, The Rehbinder Effect in Fracturing of Metals and Rocks, Phys. Metals Metallogr., 2022, vol. 123, no. 12, pp. 1234-1244.
10.    R.W.K. Honeycombe, The plastic deformation of metals, Edward Arnold, London, 1972.
11.    A.S. Argon, Strengthening Mechanisms in Crystal Plasticity, Oxford University Press, Oxford, 2007.
12.    T. Yokobori, An interdisciplinary approach to fracture and strength of solids, Wolters-Noordhoff Scientific Publications, Groningen, 1968.
13.    R.L. Lyles Jr., H.G.F. Wilsdorf, Microcrack nucleation and fracture in silver crystals, Acta Metall., 1975, vol. 23, no. 2, pp. 269-277.
14.    I.-H. Lin, R. Thomson, Cleavage, dislocation emission, and shielding for cracks under general loading, Acta Metall., 1986, vol. 34, no. 2, pp. 187-206.
15.    A.S. Argon, Brittle to ductile transition in cleavage fracture, Acta Metall., 1987, vol. 35, no. 1, pp. 185-196.
16.    E.D. Yilmaz, G.A. Schneider, M.V. Swain, Influence of structural hierarchy on the fracture behaviour of tooth enamel, Phil. Trans. R. Soc. A, 2015, vol. 373, no. 2038, art. no. 20140130.
17.    M. Kachanov, I. Sevostianov, Micromechanics of materials with applications, Solid mechanics and its applications, vol. 249, Springer Nature, Heidelberg, 2018.
18.    D. Kiener, S.M. Han, 100 years after Griffth: From brittle bulk fracture to failure in 2D materials, MRS Bulletin, 2022, vol. 47, no. 8, pp. 792-799.
19.    C.A. Brookes, J.H. Greenwood, J.L. Routbort, Brittle fracture in iridium single crystals, J. Appl. Phys., 1968, vol. 39, no. 5, pp. 2391-2395.
20.    C.A. Brookes, J.H. Greenwood, J.L. Routbort, High temperature tensile properties of iridium single crystals, J. Inst. Metals, 1970, vol. 98, pp. 27-31.
21.    S.P. Lynch, Ductile and brittle crack growth: fractography, mechanisms and criteria, Mater. Forum, 1988, vol. 11, pp. 268-283.
22.    P. Panfilov, Brittle fracture of iridium. How this plastic metal cleaves? Rev. Adv. Mater. Technol., 2019, vol. 1, no. 1, pp. 27-45.
23.    S.M. Ohr, An electron-microscopy study of crack tip de-formation and its impact on the dislocation theory of fracture, Mater. Sci. Eng., 1985, vol. 72, no. 1, pp. 1-35.
24.    I.M. Robertson, H.K. Birnbaum, An HVEM study of hydrogen effects on the deformation and fracture of nickel, Acta Metall., 1986, vol. 34, no. 3, pp. 353-366.
25.    P. Panfilov, R. Korovin, M. Mezenov, D. Zaytsev, N. Efremovtsev, Some Features of Cleavage Cracks in Rocks and Metals, Rev. Adv. Mater. Technol., 2023, vol. 5, no. 3, pp. 9-23.

Том 6, № 3

Страницы 96-112

Файлы

текст статьи

аннотация

XML файл

История

Поступила в редакцию: 16 Июля 2024

Принята: 01 Августа 2024

Доступна онлайн: 16 Августа 2024

© 2024 ITMO University.
This is an open access article under the terms
of the CC BY-NC 4.0 license.
Metadata is available under the terms of the CC BY 4.0 license