Atomistic Simulations of Crack Front Curvature Effects and Crack-Microstructure Interactions

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2017-03-07
Issue Year
2017
Authors
Möller, Johannes Joel
Editor
Publisher
FAU University Press
ISBN
978-3-96147-008-2
Abstract

The resistance against crack propagation is undoubtedly one of the most important properties of metallic materials. Particularly in the early stage of their existence, the growth of cracks is influenced by interactions with the surrounding microstructure, e.g., grain boundaries and dislocations. In this context, atomistic simulations play an important role in providing valuable information about fundamental crack tip processes, which can be used for the development of larger-scale models to predict crack propagation in realistic microstructures.

The present thesis contributes to this development by systematically determining the influences of crack front curvature and grain boundary (GB) structure on the competition between brittle fracture and crack tip plasticity in body-centered cubic (bcc) metals. For this purpose, multi-million atom molecular statics and dynamics simulations of perfectly straight and penny-shaped cracks were performed in defect-free single crystals and for the first time at GBs. Crack-dislocation interactions were exemplarily investigated for selected crack and slip systems.

At curved crack fronts, many slip planes intersect parts of the crack front and the tendency for crack tip plasticity is consequently higher than for infinitely long and straight crack fronts. At GBs, locally varying bonding situations lead to the dependence of the fracture resistance on the crack tip position and crack propagation direction. Crack-dislocation interactions are dominated by dislocation cross slip and subsequent glide along the crack front leading to local crack tip blunting.

Abstract

Der Widerstand gegen Rissausbreitung ist unzweifelhaft eine der wichtigsten Eigenschaften metallischer Werkstoffe. Insbesondere kurz nach ihrer Initiierung wird das Wachstum von Rissen durch Wechselwirkungen mit der umgebenden Mikrostruktur, wie z.B. Korngrenzen und Versetzungen, beeinflusst. In diesem Zusammenhang liefern atomistische Simulationen wichtige Informationen über fundamentale Rissspitzenprozesse, welche anschließend für die Entwicklung höher-skaliger Modelle zur Rissausbreitung in realistischen Mikrostrukturen verwendet werden können.

Die vorliegende Arbeit trägt hierzu bei, indem systematisch die Einflüsse von Rissfrontkrümmung und Korngrenzstruktur auf die beiden konkurrierenden Prozesse Sprödbruch und Rissspitzenplastizität in kubisch-raumzentrierten (krz) Metallen bestimmt werden. Zu diesem Zweck, wurden groß-skalige Molekulardynamik und statik Simulationen in defektfreien Einkristallen und erstmalig auch an Korngrenzen durchgeführt. Des Weiteren wurden Riss-Versetzungs-Wechselwirkungen exemplarisch für ausgewählte Riss- und Gleitsysteme untersucht.

An gekrümmten Rissfronten vergrößert die höhere Anzahl an zur Verfügung stehenden Gleitsystemen die Tendenz zur Rissspitzenplastizität im Vergleich zu unendlich langen und geraden Rissfronten. An Korngrenzen sorgen die lokal unterschiedlichen Bindungssituationen zu einer Abhängigkeit des Bruchwiderstandes von der Rissspitzenposition und der Rissausbreitungsrichtung. Riss-Versetzungs-Wechselwirkungen werden durch Quergleitprozesse der Versetzungen und deren anschließendes Gleiten entlang der Rissfront dominiert, welches schließlich zum Abstumpfen des Risses führt.

Series
FAU Forschungen, Reihe B, Medizin, Naturwissenschaft, Technik
Series Nr.
14
Notes
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN 978-3-96147-007-5
DOI
Faculties & Collections
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