Numerische Studien zur Rissausbreitung in dreidimensionalen komplexen Kristallstrukturen

Abstract

In dieser Arbeit werden numerische Experimente zur Rissausbreitung im Modus I in einem dreidimensionalen ikosaedrischen Modellquasikristall präsentiert. Quasikristalle besitzen wohldefinierte atomare Ebenen und weisen atomare Cluster als elementare Bausteine auf. Der Einfluss dieser strukturellen Eigenschaften auf den dynamischen Bruch wird untersucht. Zu diesem Zweck werden verschieden orientierte Proben mit atomar scharfen Rissen versehen und anschließend durch lineare Skalierung des Verschiebungsfeldes belastet. Die Antwort des Systems wird dann mit Hilfe molekulardynamischer Simulationen erfasst. Sprödes Bruchverhalten ohne Anzeichen von Versetzungsemission wird beobachtet. Die Bruchoberflächen sind auf Clusterskala rau. Die Cluster werden jedoch nicht strikt vom Riss umlaufen, sondern zu einem gewissen Grad angeschnitten. Verglichen mit dem ebenen Anriss werden die Cluster allerdings weniger häufig durchtrennt. Demzufolge kann die Rauigkeit den Clustern zugeordnet werden, wohingegen die konstante mittlere Höhe der Bruchoberflächen die Ebenenstruktur des Quasikristalles widerspiegelt.

In this work numerical experiments on the propagation of mode I cracks in a three-dimensional icosahedral model quasicrystal are presented. Quasicrystals possess well-defined atomic planes and display atomic clusters as basic building blocks. The influence of these structural properties on dynamic fracture is investigated. For this purpose samples in different orientations are endowed with atomically sharp seed cracks and subsequently loaded by linear scaling of the displacement field. The response of the system is then monitored by molecular dynamics simulations. Brittle fracture without any crack tip plasticity is observed. The fracture surfaces turn out to be rough on the scale of the clusters. These are not strictly avoided, but to some extent intersected by the dynamic crack. However, compared to the flat seed cracks the clusters are cut less often. Hence the roughness of the crack surfaces can be attributed to the clusters, whereas the constant average heights of the fracture surfaces reflect the plane structure of the quasicrystal.