[論文レビュー] Brittle to Quasi-Brittle Transition and Crack Initiation Precursors in Disordered Crystals

Stefanos Papanikolaou, J. Thibault+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2017

Microstructure and mechanical properties参考文献 29被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、相場面結晶塑性シミュレーションを用いて不規則な結晶における破壊の破壊的から準破壊的への中間的遷移を調査し、き裂発生のメカニズムがき裂の原因となるノッチから、体積内の不規則性に移行する条件を明らかにした。主な発見として、遷移点を超えると、き裂核生成の前触れとして検出可能な応力低下の兆候が現れることが判明し、粗粒で不規則な金属における早期破壊検出の実験的観察可能な指標を提供する。

ABSTRACT

Crack initiation emerges due to a combination of elasticity, plasticity, and disorder, and it is heavily dependent on the material's microstructural details. In this paper, we investigate brittle metals with coarse-grained, microstructural disorder that could originate in a material's manufacturing process, such as alloying. As an investigational tool, we consider crack initiation from a surface, ellipsoidal notch: As the radius of curvature at the notch increases, there is a dynamic transition from notch-induced crack initiation to bulk-disorder crack nucleation. We perform extensive and realistic simulations using a phase-field approach coupled to crystal plasticity. Furthermore, the microstructural disorder and notch width are varied in order to study the transition. We identify this transition for various disorder strengths in terms of the damage evolution. Above the transition, we identify detectable precursors to crack initiation that we quantify in terms of the expected stress drops during mode I fracture loading. We discuss ways to observe and analyze this brittle to quasi-brittle transition in experiments.

研究の動機と目的

• 破壊的金属における微細構造的不規則性とノッチ幾何学がき裂発生に与える影響を理解すること。
• ノッチ駆動から体積内不規則性駆動へのき裂核生成メカニズムの遷移点を特定すること。
• 準破壊領域におけるき裂核生成の前触れとなる定量的指標を特定すること。
• 不規則な金属材料における早期破壊検出の実験的観察可能な特徴を提供すること。

提案手法

• 不規則な結晶性材料における破壊をシミュレートするために、相場面法と結晶塑性を組み合わせた手法を採用する。
• き裂発生メカニズムの遷移を調査するために、ノッチ半径と不規則性の強度を変化させる。
• モードI引張荷重を用いて損傷の進化と応力反応を分析する。
• 応力低下の統計的解析を用いて、き裂核生成の前触れを同定する。
• 多数の不規則性の強度と幾何的配置に対して、広範かつ現実的なシミュレーションを実施する。
• 損傷の進化と応力低下統計の両面から、遷移行動の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ノッチ半径を増加させると、不規則な結晶において、き裂発生の主導的メカニズムがノッチ駆動から不規則性駆動へどのようにシフトするか？
• RQ2 準破壊領域において、き裂核生成の前触れとして何が測定可能に現れるか？
• RQ3 微細構造的不規則性は、破壊的から準破壊的への遷移の開始にどのように影響を与えるか？
• RQ4 応力低下統計は、近い将来のき裂核生成を信頼できる指標として機能するか？
• RQ5 実験的検証のために、シミュレートされた前触れから何の観察可能な指標を導出できるか？

主な発見

• ノッチ半径が増加するに従い、ノッチ誘発から体積内不規則性駆動への動的遷移が発生する。
• 遷移閾値を超えると、き裂核生成の前触れとして検出可能な応力低下の兆候が現れ、応力応答の統計的解析により定量的に評価される。
• 応力低下の大きさと分布は不規則性の強度に比例して増加し、破壊感受性の上昇を示唆する。
• 異なる不規則性レベルにおける損傷の進化パターンの顕著な変化から、遷移点を特定できる。
• 複数の再現実験において、シミュレートされた前触れは一貫しており、ノッチ幾何学や不規則性の強度の変化に対しても頑健である。
• 本研究の結果から、応力低下の特徴は、不規則な金属材料におけるき裂核生成の予測に実験的にモニタリング可能である可能性がある。