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

Atomistische Simulationen von Rissfrontkrümmungseffekten und Riss-Mikrostruktur-Wechselwirkungen

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-82795
  • 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)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.show moreshow less
  • 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 beidenDer 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.show moreshow less

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Metadaten
Author:Johannes Joel Möller
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-82795
ISBN:978-3-96147-008-2
Series (Volume number):FAU Forschungen, Reihe B, Medizin, Naturwissenschaft, Technik (14)
Publisher:FAU University Press
Place of publication:Erlangen
Referee:Erik Bitzek, Alexander Hartmaier
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2017
Embargo Date:2017/03/06
Publishing Institution:FAU University Press
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2016/07/14
Release Date:2017/03/07
Tag:Atomistische Simulation; Risse; Rissspitzenplastizität
Atomistic simulation; crack tip plasticity; cracks; dislocations; fracture; grain boundaries; iron
SWD-Keyword:Bruch; Eisen; Rissbildung; Korngrenze; Versetzung <Kristallographie>; Rissausbreitung; Molekulardynamik
Pagenumber:218 S.
Note:
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN 978-3-96147-007-5
Institutes:Technische Fakultät / Department Werkstoffwissenschaften
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
open_access (DINI-Set):open_access
Collections:Universität Erlangen-Nürnberg / FAU University Press
Licence (German):Creative Commons - CC BY-NC-ND - Namensnennung - Nicht kommerziell - Keine Bearbeitungen 3.0