Abstract In the current study, a multi-scale investigation on the crack propagation of B2-NiAl alloy was performed by using coupled molecular dynamics (MD) and the cohesive finite element method (CFEM). In particular, by using python programming, a FE model with a zero-thickness cohesive element for batch insertion was established. The T-S curve obtained from MD simulation was adopted as the material input parameter for the zero-thickness cohesive element to investigate the micro crack propagation mechanism and realize the macro crack random propagation simulation. The results showed that in micro-scale, the crack propagation behavior of single crystal B2-NiAl was primarily caused by continuous coalescence of the main cracks and microvoids generated from the stress concentration at the crack front. Furthermore, the single crystal B2-NiAl experienced phase transition and followed the Bain path. Moreover, the T-S curves at different temperatures were compared with Needleman classical theoretical models, demonstrating the properness of the Needleman model. Afterwards, the macroscopic fracture toughness values of B2-NiAl alloys at different temperatures were calculated and compared with those obtained from experiments. Such comparisons demonstrated good agreement with each other and indicated that the T-S curve obtained via MD can be applied to the FE method. These results validated the rationality of this multi-scale method, which offers an alternative approach for fracture behavior simulation across macro and micro scales.

中文翻译：

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结合分子动力学和内聚有限元法（CFEM）对镍铝合金断裂行为进行多尺度数值模拟

摘要 在目前的研究中，利用耦合分子动力学（MD）和内聚有限元法（CFEM）对B2-NiAl合金的裂纹扩展进行了多尺度研究。特别是，通过使用python编程，建立了批量插入的具有零厚度内聚元素的有限元模型。采用MD模拟得到的TS曲线作为零厚度内聚单元的材料输入参数，研究微观裂纹扩展机理，实现宏观裂纹随机扩展模拟。结果表明, 在微观尺度上, 单晶 B2-NiAl 的裂纹扩展行为主要是由主裂纹连续聚结和裂纹前沿应力集中产生的微孔引起的。此外，单晶 B2-NiAl 经历了相变并遵循贝恩路径。此外，将不同温度下的 TS 曲线与 Needleman 经典理论模型进行了比较，证明了 Needleman 模型的正确性。随后，计算了B2-NiAl合金在不同温度下的宏观断裂韧性值，并与实验得到的值进行了比较。这种比较表明彼此之间非常吻合，并表明通过 MD 获得的 TS 曲线可以应用于有限元方法。这些结果验证了这种多尺度方法的合理性，为宏观和微观尺度的断裂行为模拟提供了一种替代方法。将不同温度下的TS曲线与Needleman经典理论模型进行对比，证明了Needleman模型的正确性。随后，计算了B2-NiAl合金在不同温度下的宏观断裂韧性值，并与实验得到的值进行了比较。这种比较表明彼此之间非常吻合，并表明通过 MD 获得的 TS 曲线可以应用于有限元方法。这些结果验证了这种多尺度方法的合理性，为宏观和微观尺度的断裂行为模拟提供了一种替代方法。将不同温度下的TS曲线与Needleman经典理论模型进行对比，证明了Needleman模型的正确性。随后，计算了B2-NiAl合金在不同温度下的宏观断裂韧性值，并与实验得到的值进行了比较。这种比较表明彼此之间非常吻合，并表明通过 MD 获得的 TS 曲线可以应用于有限元方法。这些结果验证了这种多尺度方法的合理性，为宏观和微观尺度的断裂行为模拟提供了一种替代方法。计算了B2-NiAl合金在不同温度下的宏观断裂韧性值，并与实验得到的值进行了比较。这种比较表明彼此之间非常吻合，并表明通过 MD 获得的 TS 曲线可以应用于有限元方法。这些结果验证了这种多尺度方法的合理性，为宏观和微观尺度的断裂行为模拟提供了一种替代方法。计算了B2-NiAl合金在不同温度下的宏观断裂韧度值，并与实验得到的值进行了比较。这种比较表明彼此之间非常吻合，并表明通过 MD 获得的 TS 曲线可以应用于有限元方法。这些结果验证了这种多尺度方法的合理性，为宏观和微观尺度的断裂行为模拟提供了一种替代方法。