[論文レビュー] Phase-Field Modeling of Coupled Brittle-Ductile Fracture in Aluminum Alloys

Samad Vakili, Pratheek Shanthraj+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2022

Aluminum Alloy Microstructure Properties被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、Mg₂Si析出相で強化されたアルミニウム合金における破壊の破壊靭性と延性の混合挙動をシミュレートする、熱力学的に整合性のあるカップリング結晶塑性-相場モデルを開発した。その結果、粒子の形状と配列が破壊モードを顕著に制御することが明らかになった。破壊の初期段階で、垂直に配向した楕円形粒子が剥離に起因する破壊において最大の延性を示す一方、平行に配向した楕円形粒子は亀裂の進行に起因する破壊において靭性を向上させる。マトリックスの破壊エネルギーが増加するに従い、破壊モードは剥離から亀裂に切り替わることが観察された。

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.

研究の動機と目的

• 析出相を有するアルミニウム合金における混合破壊挙動をシミュレートするためのカップリング結晶塑性-相場モデルの開発。
• 析出相の形状、粒子径分布、配列が損傷の進展と破壊靭性に与える影響の調査。
• マトリックスの臨界エネルギー解放率（Gc）の関数として、粒子の剥離と亀裂の遷移を同定すること。
• 商業純鉄および2xxx系アルミニウム合金における実験的観察された破壊機構（剥離と亀裂）を再現すること。
• 単結晶および多結晶微細組織における粒子のトポロジーが破壊ひずみ、破壊仕事、破壊強度に与える影響の定量的評価。

提案手法

• 破壊過程領域における破壊の脆的（粒子）および延性的（マトリックス）損傷に対して、弾性および塑性のエネルギー散逸を熱力学的に整合性のある枠組みでカップリングする。
• 円形および楕円形析出相を有する代表体積要素（RVEs）を生成し、荷重方向に対する粒子の配列を変化させる。
• マトリックスのGc（4–8 J/m²）および粒子のGc（10–16 J/m²）を制御した単結晶および多結晶微細組織に対して、単軸引張試験を実施する。
• 相場変数を用いてマトリックスおよび粒子内での亀裂核生成と伝播を追跡し、脆的破壊と延性破壊のそれぞれに特有の損傷進化則を適用する。
• 応力-ひずみ曲線から破壊ひずみ、破壊仕事、破壊強度を抽出し、機械的性能を定量する。
• 商業純鉄および2xxx系アルミニウム合金における粒子の剥離と亀裂の実験的観察結果と、本モデルの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アルミニウムマトリックスの臨界エネルギー解放率が、粒子の剥離または亀裂という主な損傷開始メカニズムにどのように影響するか。
• RQ2 粒子の形状（円形対楕円形）および荷重方向に対する配列が、破壊ひずみおよび破壊仕事に与える影響は何か。
• RQ3 どのような微細組織的配置が、析出相を有するアルミニウム合金における損傷抵抗性を最大にするか。
• RQ4 Gcが変化する条件下で、単結晶および多結晶微細組織の破壊モード遷移にどのような差が生じるか。
• RQ5 本モデルは、異なるアルミニウム合金系における粒子の剥離や亀裂といった実験的観察された破壊メカニズムを定量的に再現できるか。

主な発見

• マトリックスのGcが4–8 J/m²（単結晶）および10–16 J/m²（多結晶）の範囲で変化するに従い、破壊モードは粒子／マトリックスの剥離から粒子の亀裂に移行する。
• 剥離領域では、荷重方向に対して垂直に配列した円形および楕円形粒子が、最大の破壊ひずみと破壊仕事を示す。
• 亀裂領域では、荷重方向に平行に配列した楕円形粒子が、すべての配置の中で最大の破壊ひずみと破壊仕事を示す。
• 本モデルは、商業純鉄では粒子の剥離、2xxx系アルミニウム合金では粒子の亀裂という実験的観察された二重破壊メカニズムを成功裏に再現した。
• 多結晶微細組織においてGc^Al-M = 16 J/m²の場合、荷重方向に平行に配列した楕円形粒子が、単結晶の結果と整合的に最大の破壊ひずみと破壊仕事を達成した。
• 亀裂の発生は、Mg₂Si析出相の脆的破壊に起因し、その後マトリックス内へと伝播する。これは、シミュレーションおよび実験の両方で観察された結果である。