Influence of a Strain Rate and Temperature on the Crack Tip Stress and Microstructure Evolution of Monocrystalline Nickel: a Molecular Dynamics Simulation

Abstract

The effect of a strain rate and temperature on the crack tip stress and microstructure evolution ahead of a growing crack in monocrystalline nickel are studied by molecular dynamics simulations. The correlation between the microstructure evolution and stress field near the crack tip is also explored. The results indicate that the crack tip stress distribution characteristics and crack propagation dynamics are closely related to the microstructure evolution caused by the change of the strain rate and temperature. At a lower strain rate and temperature, the crack propagates by the brittle mechanism without inducing the change in atomic configuration near the crack tip. The stress concentration occurs at the crack tip of a growing crack. The crack propagation exhibits a gradual brittle-to-ductile transition with an increase in temperature and a strain rate. The peak stress is accompanied by the microstructure evolution ahead of the crack tip.

Влияние скорости деформации и температуры на напряжение у вершины трещины и развитие микроструктуры вблизи распространяющейся трещины в монокристаллическом никеле исследовали с помощью моделирования методом молекулярной динамики. Исследовали корреляцию между развитием микроструктуры и полем напряжений у вершины трещины. Результаты продемонстрировали, что характеристика распределения напряжений у вершины трещины и динамика распространения трещины тесно связаны с развитием микроструктуры, обусловленной изменением скорости деформации и температуры. При низких скорости деформации и температуре трещина распространяется по механизму хрупкого разрушения без воздействия на изменение расположения атомов у ее вершины. Концентрация напряжений возникает у вершины распространяющейся трещины. Распространение трещины характеризуется постепенным переходом от хрупкого разрушения к пластичному с увеличением температуры и скорости деформации. Максимальное напряжение сопровождается развитием микроструктуры у вершины трещины.

Вплив швидкості деформації і температури на напруження у вістрі тріщини і розвиток мікроструктури поблизу тріщини, що розповсюджується, в монокристалічному нікелі досліджували за допомогою моделювання методом молекулярної динаміки. Досліджували кореляцію між розвитком мікроструктури і полем напружень у вістрі тріщини. Результати показали, що характеристика розподілу напружень у вістрі тріщини і динаміка поширення тріщини тісно пов’язані з розвитком мікроструктури, зумовленої зміною швидкості деформації і температури. За низьких швидкості деформації і температури тріщина поширюється по механізму крихкого руйнування без впливу на зміну розташування атомів у її вістрі. Концентрація напружень виникає у вістрі тріщини, що поширюється. Поширення тріщини характеризується поступовим переходом від крихкого руйнування до пластичного з підвищенням температури і швидкості деформації. Максимальне напруження супроводжується розвитком мікроструктури у вістрі тріщини.