Отправить статью по E-mail Численное моделирование микроструктур и процессов разрушения зернистых композитов с учетом влияния межзеренных границ
- Авторы: Муллахметов М.Н.1, Ильиных А.В.1
-
Учреждения:
- Пермский национальный исследовательский политехнический университет
- Выпуск: Том 27, № 1 (2023)
- Страницы: 81-101
- Раздел: Механика деформируемого твердого тела
- URL: https://journals.rcsi.science/1991-8615/article/view/145891
- DOI: https://doi.org/10.14498/vsgtu1931
- ID: 145891
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Представлен алгоритм компьютерного моделирования микроструктур поликристаллических материалов с явным образом выделенными межзеренными границами. Авторами предложена модификация разработанного ранее алгоритма синтеза зернистых микроструктур, в основе которого лежит процедура пошагового выращивания зерен из эллипсов. Межзеренные границы заданной толщины формируются из исходной зернистой структуры путем смещения исходных границ внутрь зерна. Такой подход позволил сохранить исходную форму зерен, незначительно уменьшив их изначальную площадь.
Преимуществом представленного алгоритма перед другими методами компьютерного моделирования поликристаллических материалов является возможность получения кусочно-линейных межзеренных границ разной толщины, величины которых могут не только быть заданы как различным законам статистического распределения, но и иметь одинаковую величину. При этом сами зерна могут иметь как выпуклую, так и вогнутую форму, которую невозможно получить, используя большинство других методов компьютерного моделирования.
Представлены результаты генерации микроструктур поликристаллических материалов, содержащие более 100 структурных элементов и имеющие долю межзеренных границ до 20 %. Представленные микроструктуры поликристалических материалов сгенерированы при различных начальных параметрах, на примере которых продемонстрированы все возможности разработанного алгоритма. Приведены новые данные численного моделирования процессов деформирования и разрушения модельных зернистых материалов, для которых задано разное отношение прочностных характеристик зерен и межзеренных границ. Показано, что в зависимости от величины этого отношения прочностных характеристик в поликристаллических материалах реализуются разные механизмы разрушения: интеркристаллитное, транскристаллитное и смешанная форма разрушения.
Об авторах
Максим Николаевич Муллахметов
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Автор, ответственный за переписку.
Email: m.mullahmetov59@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-0884-8327
лаборант; центр экспериментальной механики
Россия, 614990, Пермь, Комсомольский пр-т, 29Артем Валерьевич Ильиных
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Email: ilinih@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-9162-1053
Scopus Author ID: 44761240700
ResearcherId: F-1778-2014
кандидат технических наук; центр экспериментальной механики; каф. экспериментальной механики и конструкционного материаловедения
Россия, 614990, Пермь, Комсомольский пр-т, 29Список литературы
- Вильдеман В. Э., Третьяков М. П., Третьякова Т. В. [и др.] Экспериментальные исследования свойств материалов при сложных термомеханических воздействиях / ред. В. Э. Вильдеман. М.: Физматлит, 2012. 204 с. EDN: UGLGZL.
- Волегов П. С., Грибов Д. С., Трусов П. В. Поврежденность и разрушение: классические континуальные теории // Физ. мезомех., 2015. Т. 18, №4. С. 68–87. EDN: UGCJQL.
- Yankin A. S. Biharmonic (two-frequency) load frequencies influence on mechanical behavior of solid propellant simulator // PNRPU Mechanics Bulletin, 2015. no. 4. pp. 273–292. EDN: VBWYNN. DOI: https://doi.org/10.15593/perm.mech/2015.4.16.
- Balokhonov R., Romanova V., Kulkov A. Microstructure-based analysis of deformation and fracture in metal-matrix composite materials // Eng. Fail. Anal., 2020. vol. 110, 104412. EDN: KTCEOH. DOI: https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2020.104412.
- Liang K., Xie L., He B., et al. Effects of grain size distributions on the macro-mechanical behavior of rock salt using micro-based multiscale methods // Int. J. Rock Mech. Mining Sci., 2021. vol. 138, 104592. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2020.104592.
- Naderi S., Dean J. S., Zhang M. Three-dimensional virtual microstructure generation of porous polycrystalline ceramics // Ceramics International, 2019. vol. 45, no. 17. pp. 21647–21656. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.07.162.
- Ильиных А. В., Вильдеман В. Э. Моделирование структуры и процессов разрушения зернистых композитов // Вычисл. мех. сплош. сред., 2012. Т. 5, №4. С. 443–451. EDN: PLBSKT. DOI: https://doi.org/10.7242/1999-6691/2012.5.4.52.
- MohebbiM. S., Ploshikhin V. Implementation of nucleation in cellular automaton simulation of microstructural evolution during additive manufacturing of Al alloys // Additive Manufacturing, 2020. vol. 36, 101726. DOI: https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101726.
- Roy U., McDowell D. L., Zhou M. Effect of grain orientations on fracture behavior of polycrystalline metals // J. Mech. Phys. Solids, 2021. vol. 151, 104384. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmps.2021.104384.
- Kowalski N., Delannay L., Yan P., et al. Finite element modeling of periodic polycrystalline aggregates with intergranular cracks // Int. J. Solids Struct., 2016. vol. 90. pp. 60–68. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2016.04.010.
- Скрипняк Н. В., Иохим К. В. Влияние распределения зерен по размерам на прочностные и деформационные свойства сплавов Zr-Nb при высокоскоростном растяжении // Вестн Том. гос. ун-та. Математика и механика, 2020. №65. С. 124–136. EDN: NDBIXH. DOI: https://doi.org/10.17223/19988621/65/10.
- Bachurin D. V. Influence of grain boundary misorientation on intergranular fracture of nanocrystalline palladium // Int. J. Fract., 2018. vol. 214, no. 1. pp. 69–78. EDN: QKWFSK. DOI: https://doi.org/10.1007/s10704-018-0319-2.
- Zhou G., Sun Q., Li D., et al. Meso-scale modeling and damage analysis of carbon/epoxy woven fabric composite under in-plane tension and compression loadings // Int. J. Mech. Sci., 2021. vol. 190, 105980. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2020.105980.
- Loendersloot R., Ehsani M., Sepehry N., Shamshirsaz M.Numerical modelling of stochastic fatigue damage accumulation in thick composites / European Workshop on Structural Health Monitoring. EWSHM 2020 / Lecture Notes in Civil Engineering, 128; eds. P. Rizzo, A. Milazzo. Cham: Springer, 2021. pp. 776–787. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-030-64908-1_72.
- Yu H., Dahi Taleghani A., Lian Z. A new look at rock mechanical behavior from the mesoscale grain // J. Petrol. Sci. Eng., 2021. vol. 200, 108373. DOI: https://doi.org/10.1016/j.petrol.2021.108373.
- Zhu Q., Kondo D., Shao J., Pensee V. Micromechanical modelling of anisotropic damage in brittle rocks and application // Int. J. Rock Mech. Mining Sci., 2008. vol. 45, no. 4. pp. 467–477. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2007.07.014.
- Liang K., Xie L., He B., et al. Effects of grain size distributions on the macro-mechanical behavior of rock salt using micro-based multiscale methods // Int. J. Rock Mech. Mining Sci., 2021. vol. 138, 104592. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2020.104592.
- Kovalski E. R., Karpov G. N., Leisle A. V Geomechanic models of jointed rock mass // Int. J. Civil Eng. Technol., 2018. vol. 9, no. 13. pp. 440–448. EDN: PAZCJR.
- Silberschmidt V. V. Effect of material’s randomness on scaling of crack propagation in ceramics // Int. J. Fract., 2006. vol. 140, no. 1–4. pp. 73–85. DOI: https://doi.org/10.1007/s10704-005-3994-8.
- Silberschmidt V. V., Najar J. Computational modelling of the size effect of damage inhomogeneity in ceramics // Comput. Mater. Sci., 1998. vol. 13, no. 1–3. pp. 160–167. DOI: https://doi.org/10.1016/S0927-0256(98)00057-3.
- Ильиных А. В., Радионова М. В., Вильдеман В. Э. Компьютерный синтез и статистический анализ распределения структурных характеристик зернистых композиционных материалов // Механика композиционных материалов и конструкций, 2010. Т. 16, №2. С. 251–264. EDN: MSXPNN.
- Вильдеман В. Э., Ильиных А. В. Моделирование процессов структурного разрушения и масштабных эффектов разупрочнения на закритической стадии деформирования неоднородных сред // Физ. мезомех., 2007. Т. 10, №4. С. 23–29. EDN: IJIWGV.
- Вильдеман В. Э., Соколкин Ю. В., Ташкинов А. А. Механика неупругого деформирования и разрушения композиционных материалов / ред. Ю. В. Соколкин. М.: Наука, 1997. 288 с. EDN: SAQBEP.
- Муллахметов М. Н., Ильиных А. В. Численное моделирование процесса разрушения пучков параллельных волокон // Master’s Journal, 2020. №1. С. 9–26. EDN: KNQCWG.
Дополнительные файлы
