[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究通过相场晶体塑性模拟，探究无序晶体中从脆性到准脆性断裂的转变，发现随着缺口半径增大，裂纹起源于缺口驱动机制向体相无序驱动机制转变。关键发现表明，在转变点以上，裂纹成核前可检测到应力下降前兆，为粗粒度无序金属中的早期断裂检测提供了实验可观测指标。

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.

研究动机与目标

• 理解微观结构无序性和缺口几何形状如何影响脆性金属中的裂纹起始。
• 识别从缺口驱动向体相无序驱动裂纹成核的转变点。
• 量化准脆性区域中裂纹起始前可检测的前兆。
• 为无序金属材料中的早期断裂检测提供实验可观测的特征信号。

提出的方法

• 采用与晶体塑性耦合的相场方法，模拟无序晶体材料中的断裂行为。
• 通过改变缺口半径和无序强度，探究裂纹起始机制之间的转变。
• 施加模式I断裂载荷，分析损伤演化与应力响应。
• 利用应力下降的统计分析识别裂纹成核的前兆。
• 在多种无序强度和几何构型下进行大量、真实的模拟。
• 通过损伤演化和应力下降统计特性验证转变行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 随着缺口半径增大，无序晶体中主导裂纹起始机制如何从缺口驱动转变为无序驱动？
• RQ2 在准脆性区域中，裂纹起始前会出现哪些可测量的前兆？
• RQ3 微观结构无序性如何影响脆性到准脆性转变的起始？
• RQ4 应力下降统计特性能否作为裂纹成核前兆的可靠指标？
• RQ5 从模拟前兆中可推导出哪些可用于验证的实验可观测指标？

主要发现

• 随着缺口半径增大，裂纹起始机制从缺口诱导转变为体相无序驱动，呈现动态转变。
• 在转变阈值以上，裂纹成核前可检测到应力下降前兆，其通过应力响应的统计分析得以量化。
• 应力下降的幅值和分布随无序强度增加而增大，表明断裂敏感性提高。
• 通过不同无序水平下损伤演化模式的显著变化，可识别出转变点。
• 模拟前兆在多次模拟实现中保持一致，对缺口几何形状和无序强度变化具有鲁棒性。
• 研究结果表明，应力下降特征可作为实验监测手段，用于预测无序金属材料中的裂纹起始。