Crack propagation in decagonal and icosahedral quasicrystals

Abstract

In the pressent work the propagation of cracks in two-dimensional decagonal and three-dimensional icosahedral model quasicrystals under mode I loading is studied by means of molecular dynamics simulations. The dependence on temperature, applied load and underlying structure has been investigated in particular. The samples are endowed with an atomically sharp crack and loaded by linear scaling of the displacement field. Subsequently the response of the system is monitored by molecular dynamics simulations.

In the decagonal systems three different regimes of propagation are discernable with increasing temperature: For low temperatures the crack velocity grows monotonically with the applied load. We observe that the crack follows the path of dislocations nucleated at its tip. For temperatures above 30% of the melting temperature the crack does not remain atomically sharp but is blunting spontaneously. In the temperature range between 70% and 80% of the melting temperature the quasicrystal fails by nucleation, growth and coalescence of micro voids. This gradual, dislocation-free crack extension is caused by plastic deformation which is mediated by localized rearrangements comparable to so-called shear transformation zones. These are also observed in amorphous solids. In conclusion at low temperatures the crack propagates along crystallographic planes just like in periodic crystals, whereas a glass-like behavior is dominant at high temperatures.

In the icosahedral quasicrystals brittle fracture without any crack tip plasticity is observed irrespective of the orientation of the cleavage plane and the propagation direction. The fracture surfaces are not flat but show a pronounced roughness on the atomic scale, comparable to that observed experimentally. The magnitude of the roughness depends on both the cleavage plane and the propagation direction. The clusters inherent in the structure are not strictly circumvented but are cut to some extent by the moving crack. However, a detailed analysis of the fractured samples indicates that the roughness of the fracture surfaces can be assigned to the occurrence of the clusters.

In der vorliegenden Arbeit wird die Ausbreitung von Rissen unter Modus-I-Belastung mittels molekulardynamischer Simulationen in zweidimensionalen dekagonalen und dreidimensionalen ikosaedrischen Modellquasikristallen studiert. Dabei wird speziell die Abhängigkeit der Ausbreitungsmechanismen von der Temperatur, der äußeren Last und der zugrundeliegenden Struktur untersucht. Die Proben werden mit einem atomar scharfen Riss versehen und durch lineare Skalierung des Verschiebungsfeldes belastet. Anschließend wird die Antwort des Systems in molekulardynamischen Simulationen verfolgt.

In den dekagonalen Systemen lassen sich mit steigender Temperatur drei unterschiedliche Bereiche der Rissausbreitung beobachten: Für tiefe Temperaturen steigt die Rissgeschwindigkeit kontinuierlich mit der angelegten Belastung. Wir beobachten, dass der Riss Versetzungen folgt, die von der Rissspitze nukleieren. Für Temperaturen über 30% der Schmelztemperatur bleibt die Rissspitze nicht atomar scharf, sondern stumpft spontan ab. Im Temperaturbereich zwischen 70% und 80% der Schmelztemperatur versagt der Quasikrsitall durch Nukleation, Wachstum und Koaleszenz mikroskopischer Poren. Dieses Porenwachstum ist mit plastischer Verformung vor der Rissspitze verbunden, die durch lokale Umordnungsprozesse verursacht wird. Diese sind vergleichbar mit sogenannten Schertransformationszonen, die auch in amorphen Strukturen beobachtet werden. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass sich der Riss bei tiefen Temperaturen wie in periodischen Kristallen entlang kristallographischer Ebenen ausbreitet, während bei hohen Temperaturen ein glasartiges Verhalten dominiert.

In den ikosaedrischen Quasikristallen wird unabhängig von der Spaltebene und der Ausbreitungsrichtung ein sprödes Bruchverhalten ohne Anzeichen für Versetzungsemission beobachtet. Die Bruchflächen zeigen eine ausgeprägte Rauigkeit auf atomarer Skala, die sich gut mit experimentellen Ergebnissen vergleichen lässt. Die Rauigkeit hängt hierbei sowohl von der Wahl der Spaltfläche, als auch von der Ausbreitungsrichtung ab. Die in der Struktur enthaltenen globularen Strukturen werden nicht strikt umlaufen, sondern zu einem gewissen Grad durch den fortschreitenden Riss durchtrennt. Eine detaillierte Analyse der Spaltproben zeigt jedoch, dass sich die Rauigkeit der Spaltflächen auf die globularen Strukturen zurückführen lässt.