[논문 리뷰] Brittle to Quasi-Brittle Transition and Crack Initiation Precursors in Disordered Crystals

Stefanos Papanikolaou, J. Thibault외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 13.

Microstructure and mechanical properties참고 문헌 29인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 비정질 결정에서 연성에서 준연성으로의 파손 전이를 단상장 결정성형 시뮬레이션을 통해 조사하며, 균열 형성이 노치에 의해 유도되는 것에서 균열이 미세구조의 비정질성에 의해 유도되는 것으로 전이됨을 밝혀낸다. 주요 발견은 전이 이전에 균열 핵형 이전에 감지 가능한 응력 감소 전구적 신호가 나타나며, 이는 거친 결정성 비정질 금속에서의 조기 파손 탐지에 실험적으로 관측 가능한 신호를 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비정질 금속에서 균열 형성에 영향을 주는 미세구조적 비정질성과 노치 기하학이 어떻게 작용하는지 이해하기 위해.
• 노치 유도에서 균열 핵형이 비정질성에 의해 유도되는 것으로 전이되는 점을 특정하기 위해.
• 준연성 영역에서 균열 핵형 이전에 감지 가능한 전구적 신호를 정량화하기 위해.
• 비정질 금속 재료에서 조기 파손 탐지를 위한 실험적으로 관측 가능한 서명을 제공하기 위해.

제안 방법

• 비정질 결정성 재료에서의 파손을 시뮬레이션하기 위해 단상장 방법을 결정성형과 결합하여 사용하였다.
• 균열 형성 메커니즘 간 전이를 탐색하기 위해 노치 반경과 비정질성 강도를 변화시켰다.
• 모드 I 파손 하중 조건을 적용하여 손상 진화와 응력 반응을 분석하였다.
• 균열 핵형 전구적 징후를 식별하기 위해 응력 감소의 통계적 분석을 수행하였다.
• 다양한 비정질성 강도와 기하학적 구조에서 광범위하고 현실적인 시뮬레이션을 수행하였다.
• 손상 진화와 응력 감소 통계를 통해 전이 행동을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 노치 반경을 증가시킬 경우 비정질 결정에서 균열 형성의 주요 메커니즘이 노치 유도에서 비정질성 유도로 어떻게 전이되는가?
• RQ2 준연성 영역에서 균열 형성 이전에 어떤 측정 가능한 전구적 징후가 나타나는가?
• RQ3 미세구조적 비정질성이 연성에서 준연성으로의 전이 시점에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ4 응력 감소 통계는 임박한 균열 핵형을 신뢰할 수 있는 지표로 사용될 수 있는가?
• RQ5 실험적 검증을 위해 시뮬레이션된 전구적 징후에서 유도할 수 있는 실험적 관측 가능한 신호는 무엇인가?

주요 결과

• 노치 반경이 증가함에 따라 노치에 의해 유도되는 균열 형성에서 균열이 균열의 비정질성에 의해 유도되는 것으로 동적 전이가 발생한다.
• 전이 임계점 이상에서는 균열 핵형 이전에 감지 가능한 응력 감소 전구적 징후가 나타나며, 이는 응력 반응의 통계적 분석을 통해 정량화된다.
• 응력 감소의 크기와 분포는 비정질성 강도가 증가함에 따라 증가하며, 이는 파손에 대한 더 높은 민감도를 나타낸다.
• 다양한 비정질성 수준에서 손상 진화 패턴의 명확한 변화를 통해 전이 점을 식별할 수 있다.
• 다양한 반복 실험에서 시뮬레이션된 전구적 징후는 노치 기하학과 비정질성 강도의 변화에 대해 강건하며 일관성이 있다.
• 연구 결과는 응력 감소 서명이 비정질 금속 재료에서 균열 형성 예측을 위해 실험적으로 모니터링될 수 있음을 시사한다.