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Two-scale Porosity Effects on Cohesive Crack Growth in a Ductile Media
International Journal of Solids and Structures ( IF 3.6 ) Pub Date : 2020-09-01 , DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2020.04.035 Y. Cui , Y.F. Gao , H.B. Chew
International Journal of Solids and Structures ( IF 3.6 ) Pub Date : 2020-09-01 , DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2020.04.035 Y. Cui , Y.F. Gao , H.B. Chew
Abstract Microstructures with two distinct size-scales of voids are commonplace in additively-manufactured metals. The smaller-scale voids nucleate from inclusions within the metal, while the larger-scale voids originate from unsintered powder particles. In this work, we study the interaction between these two size-scales of voids ahead of a crack, and the influence on the ductile fracture process. We adopt a finite element model of a centerline crack subjected to small-scale yielding conditions. The diffuse process zone ahead of the crack is modeled by several rows of void-containing cell elements governed by a Gurson porous material relation. Results show that the larger-scale voids near the initial crack tip generally reduces the fracture toughness by facilitating void coalescence with the crack-tip to form a single contiguous damage zone. However, strategic placements of these larger-scale voids within the active plastic zone of the crack-tip can promote crack-tip shielding, leading to diffused damage in the form of multiple unconnected damage zones, and ultimately, a several-fold improvement in toughness. We quantify the fracture behavior, as a function of the relative size and proportion of larger-scale voids in the diffuse process zone, by reconstructing the equivalent crack-tip cohesive zone laws in an elasto-plastic medium via nonlinear field projection. We demonstrate that the cohesive strength, cohesive energy, as well as the functional form of the cohesive zone law, are strongly dependent on the dual void size-scales, which introduces a size-effect into the homogenized traction-separation relationship.
中文翻译:
延性介质中两尺度孔隙度对内聚裂纹增长的影响
摘要 具有两种不同尺寸尺度的空隙的微观结构在增材制造的金属中很常见。较小尺寸的空隙由金属内的夹杂物成核,而较大尺寸的空隙则来自未烧结的粉末颗粒。在这项工作中,我们研究了裂纹前这两个尺寸尺度的空隙之间的相互作用,以及对韧性断裂过程的影响。我们采用在小尺度屈服条件下中心线裂纹的有限元模型。裂纹前的扩散过程区由几行由 Gurson 多孔材料关系控制的含空隙单元单元建模。结果表明,初始裂纹尖端附近的较大规模空隙通常会通过促进空隙与裂纹尖端合并形成单个连续损伤区来降低断裂韧性。然而,在裂纹尖端的活性塑性区内战略性地放置这些较大尺度的空隙可以促进裂纹尖端的屏蔽,导致以多个不相连的损伤区形式出现的扩散损伤,并最终使韧性提高几倍. 我们通过非线性场投影重建弹塑性介质中的等效裂纹尖端内聚区定律,将断裂行为量化为扩散过程区中较大尺度空隙的相对大小和比例的函数。我们证明了内聚强度、内聚能以及内聚区定律的函数形式,强烈依赖于双空隙尺寸尺度,这将尺寸效应引入均质牵引-分离关系中。在裂纹尖端的活性塑性区中战略性地放置这些较大尺度的空隙可以促进裂纹尖端的屏蔽,导致以多个不相连的损伤区形式出现的扩散损伤,并最终使韧性提高几倍。我们通过非线性场投影重建弹塑性介质中的等效裂纹尖端内聚区定律,将断裂行为量化为扩散过程区中较大尺度空隙的相对大小和比例的函数。我们证明了内聚强度、内聚能以及内聚区定律的函数形式,强烈依赖于双空隙尺寸尺度,这将尺寸效应引入均质牵引-分离关系中。在裂纹尖端的活性塑性区中战略性地放置这些较大尺度的空隙可以促进裂纹尖端的屏蔽,导致以多个不相连的损伤区形式出现的扩散损伤,并最终使韧性提高几倍。我们通过非线性场投影重建弹塑性介质中的等效裂纹尖端内聚区定律,将断裂行为量化为扩散过程区中较大尺度空隙的相对大小和比例的函数。我们证明了内聚强度、内聚能以及内聚区定律的函数形式,强烈依赖于双空隙尺寸尺度,这将尺寸效应引入均质牵引-分离关系中。导致以多个不相连的损伤区形式出现的扩散损伤,并最终使韧性提高几倍。我们通过非线性场投影重建弹塑性介质中的等效裂纹尖端内聚区定律,将断裂行为量化为扩散过程区中较大尺度空隙的相对大小和比例的函数。我们证明了内聚强度、内聚能以及内聚区定律的函数形式,强烈依赖于双空隙尺寸尺度,这将尺寸效应引入均质牵引-分离关系中。导致以多个不相连的损伤区形式出现的扩散损伤,并最终使韧性提高几倍。我们通过非线性场投影重建弹塑性介质中的等效裂纹尖端内聚区定律,将断裂行为量化为扩散过程区中较大尺度空隙的相对大小和比例的函数。我们证明了内聚强度、内聚能以及内聚区定律的函数形式,强烈依赖于双空隙尺寸尺度,这将尺寸效应引入均质牵引分离关系中。通过非线性场投影重建弹塑性介质中的等效裂纹尖端内聚区定律,作为扩散过程区中较大尺度空隙的相对大小和比例的函数。我们证明了内聚强度、内聚能以及内聚区定律的函数形式,强烈依赖于双空隙尺寸尺度,这将尺寸效应引入均质牵引分离关系中。通过非线性场投影重建弹塑性介质中的等效裂纹尖端内聚区定律,作为扩散过程区中较大尺度空隙的相对大小和比例的函数。我们证明了内聚强度、内聚能以及内聚区定律的函数形式,强烈依赖于双空隙尺寸尺度,这将尺寸效应引入均质牵引-分离关系中。
更新日期:2020-09-01
中文翻译:
延性介质中两尺度孔隙度对内聚裂纹增长的影响
摘要 具有两种不同尺寸尺度的空隙的微观结构在增材制造的金属中很常见。较小尺寸的空隙由金属内的夹杂物成核,而较大尺寸的空隙则来自未烧结的粉末颗粒。在这项工作中,我们研究了裂纹前这两个尺寸尺度的空隙之间的相互作用,以及对韧性断裂过程的影响。我们采用在小尺度屈服条件下中心线裂纹的有限元模型。裂纹前的扩散过程区由几行由 Gurson 多孔材料关系控制的含空隙单元单元建模。结果表明,初始裂纹尖端附近的较大规模空隙通常会通过促进空隙与裂纹尖端合并形成单个连续损伤区来降低断裂韧性。然而,在裂纹尖端的活性塑性区内战略性地放置这些较大尺度的空隙可以促进裂纹尖端的屏蔽,导致以多个不相连的损伤区形式出现的扩散损伤,并最终使韧性提高几倍. 我们通过非线性场投影重建弹塑性介质中的等效裂纹尖端内聚区定律,将断裂行为量化为扩散过程区中较大尺度空隙的相对大小和比例的函数。我们证明了内聚强度、内聚能以及内聚区定律的函数形式,强烈依赖于双空隙尺寸尺度,这将尺寸效应引入均质牵引-分离关系中。在裂纹尖端的活性塑性区中战略性地放置这些较大尺度的空隙可以促进裂纹尖端的屏蔽,导致以多个不相连的损伤区形式出现的扩散损伤,并最终使韧性提高几倍。我们通过非线性场投影重建弹塑性介质中的等效裂纹尖端内聚区定律,将断裂行为量化为扩散过程区中较大尺度空隙的相对大小和比例的函数。我们证明了内聚强度、内聚能以及内聚区定律的函数形式,强烈依赖于双空隙尺寸尺度,这将尺寸效应引入均质牵引-分离关系中。在裂纹尖端的活性塑性区中战略性地放置这些较大尺度的空隙可以促进裂纹尖端的屏蔽,导致以多个不相连的损伤区形式出现的扩散损伤,并最终使韧性提高几倍。我们通过非线性场投影重建弹塑性介质中的等效裂纹尖端内聚区定律,将断裂行为量化为扩散过程区中较大尺度空隙的相对大小和比例的函数。我们证明了内聚强度、内聚能以及内聚区定律的函数形式,强烈依赖于双空隙尺寸尺度,这将尺寸效应引入均质牵引-分离关系中。导致以多个不相连的损伤区形式出现的扩散损伤,并最终使韧性提高几倍。我们通过非线性场投影重建弹塑性介质中的等效裂纹尖端内聚区定律,将断裂行为量化为扩散过程区中较大尺度空隙的相对大小和比例的函数。我们证明了内聚强度、内聚能以及内聚区定律的函数形式,强烈依赖于双空隙尺寸尺度,这将尺寸效应引入均质牵引-分离关系中。导致以多个不相连的损伤区形式出现的扩散损伤,并最终使韧性提高几倍。我们通过非线性场投影重建弹塑性介质中的等效裂纹尖端内聚区定律,将断裂行为量化为扩散过程区中较大尺度空隙的相对大小和比例的函数。我们证明了内聚强度、内聚能以及内聚区定律的函数形式,强烈依赖于双空隙尺寸尺度,这将尺寸效应引入均质牵引分离关系中。通过非线性场投影重建弹塑性介质中的等效裂纹尖端内聚区定律,作为扩散过程区中较大尺度空隙的相对大小和比例的函数。我们证明了内聚强度、内聚能以及内聚区定律的函数形式,强烈依赖于双空隙尺寸尺度,这将尺寸效应引入均质牵引分离关系中。通过非线性场投影重建弹塑性介质中的等效裂纹尖端内聚区定律,作为扩散过程区中较大尺度空隙的相对大小和比例的函数。我们证明了内聚强度、内聚能以及内聚区定律的函数形式,强烈依赖于双空隙尺寸尺度,这将尺寸效应引入均质牵引-分离关系中。