[논문 리뷰] Phase-Field Modeling of Coupled Brittle-Ductile Fracture in Aluminum Alloys

Samad Vakili, Pratheek Shanthraj외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 29.

Aluminum Alloy Microstructure Properties인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 마그네슘 실리사이드(Mg₂Si) 침전상이 강화된 알루미늄 합금에서 연성-취성 파손을 시뮬레이션하기 위해 열역학적으로 일관된 결합 결정계 플라스티시티-페지 필드 모델을 개발한다. 이 모델은 입자 형상과 정렬 방향이 손상 모드에 결정적인 영향을 미친다는 것을 밝혀내며, 경사면이 외부 하중에 수직인 타원형 입자는 탈락 모드에서 최대 연성을 보이고, 수평으로 정렬된 타원형 입자는 균열 모드에서 파손 저항성을 향상시키며, 기질의 파손 에너지가 증가함에 따라 실패 모드가 탈락에서 균열로 전이됨을 규명한다.

ABSTRACT

Fracture in aluminum alloys with precipitates involves at least two mechanisms, namely, ductile fracture of the aluminum-rich matrix and brittle fracture of the precipitates. In this work, a coupled crystal plasticity-phase field model for mixed ductile-brittle failure modes is formulated and used to investigate the effect of precipitate morphology and size distribution on damage evolution in aluminum alloys. A thermodynamically consistent framework for elastic and plastic work dissipation in the fracture process zone is used to formulate the coupled constitutive behavior for brittle and ductile damage, respectively. Representative Volume Elements (RVE) with varying particle morphology and orientation were generated and their uni-axial loading was simulated to assess the damage resistance of the different model microstructures. For critical energy release rate $G_c$ values of the aluminum matrix ranging from 4 to 8~Jm$^{-2}$ for single crystals and from 10 to 16~Jm$^{-2}$ for polycrystals, the model predicts a change in failure modes from particle debonding to cracking followed by ductile matrix failure. The change of particle failure mechanism as a result of increased $G_c$ is observed for both, single and polycrystalline model microstructures. For the case of particle debonding, microstructures with circular or ellipsoidal particles (with the major axis perpendicular to the loading direction) show a higher ductility and fracture work compared to the other studied cases. In the case of particle cracking, microstructures with ellipsoidal particles aligned parallel to the loading axis show a higher ductility and fracture work among the investigated cases. The simulations qualitatively reproduce the experimentally observed particle failure mechanisms (cracking and debonding) for two different matrix alloy classes (commercially pure and 2xxx alloys) reinforced with ceramic particles.

연구 동기 및 목표

• 침전상이 포함된 알루미늄 합금에서 혼합 연성-취성 파손을 시뮬레이션하기 위한 결합 결정계 플라스티시티-페지 필드 모델을 개발하기 위해.
• 침전상의 형상, 크기 분포 및 정렬이 손상 진전과 파손 저항성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 기질의 임계 에너지 방출률(Gc)에 따라 입자 탈락과 균열 간의 전이 조건을 규명하기 위해.
• 상용 순수 알루미늄 및 2xxx계 알루미늄 합금에서 실험적으로 관측된 실패 메커니즘—탈락과 균열—을 재현하기 위해.
• 단일 및 다결정 미세구조에서 입자 구조의 영향을 파손 변형률, 파손 일, 파손 강도에 대해 정량화하기 위해.

제안 방법

• 연성(기질) 손상과 취성(입자) 손상에 대해 파손 영역 내 탄성 및 플라스틱 일 소산을 열역학적으로 일관된 프레임워크로 결합한다.
• 원형 및 타원형 침전상을 포함한 대표체적 요소(RVEs)를 생성하며, 하중 방향에 대한 입자 정렬을 다양하게 설정한다.
• 기질의 Gc 값(4–8 J/m²)과 입자의 Gc 값(10–16 J/m²)을 제어하여 단일 결정 및 다결정 미세구조에서 단축 인장 시뮬레이션을 수행한다.
• 페지 필드 변수를 사용해 기질과 입자 내에서 균열 생성 및 전파를 추적하며, 취성 및 연성 실패에 대해 별도의 손상 진전 법칙을 적용한다.
• 응력-변형률 곡선에서 파손 변형률, 파손 일, 파손 강도를 추출하여 기계적 성능을 정량화한다.
• 모델은 상용 순수 알루미늄 및 2xxx계 알루미늄 합금에서 관측된 입자 탈락 및 균열 메커니즘과 실험 결과를 비교 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 알루미늄 기질의 임계 에너지 방출률이 기준이 되는 손상 기원 메커니즘—입자 탈락 또는 균열—에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 입자 형상(원형 대비 타원형)과 하중 방향에 대한 정렬이 파손 변형률과 파손 일에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ3 어떤 미세구조적 구성이 침전상이 포함된 알루미늄 합금의 손상 저항성을 최대화하는가?
• RQ4 단일 결정 및 다결정 미세구조는 Gc 값이 변화함에 따라 실패 모드 전이에서 어떻게 다름을 보이는가?
• RQ5 모델은 다양한 알루미늄 합금 체계에서 실험적으로 관측된 실패 메커니즘—예를 들어 입자 탈락 및 균열—을 정량적으로 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 기질의 Gc 값이 4–8 J/m²(단일 결정) 및 10–16 J/m²(다결정)일 경우, Gc가 증가함에 따라 실패 모드가 입자/기질 탈락에서 입자 균열로 전이된다.
• 탈락 영역에서는 하중 방향에 수직으로 정렬된 원형 및 타원형 입자가 가장 높은 파손 변형률과 파손 일을 보인다.
• 균열 영역에서는 하중 방향에 평행하게 정렬된 타원형 입자가 모든 구성 중에서 가장 높은 파손 변형률과 파손 일을 기록한다.
• 모델은 실험적으로 관측된 이중 실패 메커니즘—상용 순수 알루미늄에서는 입자 탈락, 2xxx계 알루미늄 합금에서는 입자 균열—을 성공적으로 재현한다.
• 기질의 Gc^Al-M = 16 J/m²인 다결정 미세구조에서, 하중 축에 평행하게 정렬된 타원형 입자는 최고의 파손 변형률과 파손 일을 달성하며, 이는 단일 결정 결과와 일치한다.
• 균열 기원은 Mg₂Si 침전상의 취성 파손을 통해 시작되며, 그 후 기질으로 전파된다. 이는 시뮬레이션과 실험에서 모두 관찰된 바와 같다.