Multiscale modeling of fracture and deformation in interface controlled materials

Abstract

Many nanostructured metals are characterized by scale dependent mechanical properties and by size effects due to geometrical confinement. Dislocation activities, interface mediated plasticity, and macroscopic yielding are quite different from those in unconstrained metals. The role of interfaces for the material properties and for the governing deformation mechanisms remains unclear despite the large efforts made in experimental and theoretical investigations. Here we approach the effect of geometrical confinement on the atomic and on the mesoscopic scale. We elucidate size effects on failure mechanisms and on scale dependent plasticity of nanostructured dual phase composite materials with the aid of computer simulations. Cleavage failure of dual phase layered materials is simulated with a mesoscopic model to clarify the scaling behavior of the materials fracture toughness. The model accounts for the confinement effect that a layer geometry imposes on the collective dislocation behaviour near a moving crack tip. The critical layer thickness at which the bulk fracture toughness of the elastic-plastic material is reached as well as the bulk fracture toughness itself increase with the cohesive strength of the interface, but become smaller for higher yield strengths. The main conclusion drawn in this work is that fracture toughness as a function of layer thickness saturates gradually if dislocation activity is dispersed, dilute and not compact around the crack tip. It increases abruptly with the thickness when dislocation activity right at the crack tip is possible and a compact, shielding dislocation array forms near the crack tip. Furthermore this work provides preliminary understanding of the governing mechanisms that control the limiting length scale for the strengthening of bioinspired metallic nanocomposits. Large-scale molecular dynamics simulations are performed to investigate the plastic deformation behavior of a bioinspired metallic nanocomposite which consists of hard nanosized Ni platelets embedded in a soft Al matrix. The simulation results are analyzed with respect to the prevailing deformation mechanisms quantifying the contribution of dislocation-based plasticity and interface-mediated interfacial slip as a function of the nanostructural scaling. The results of the simulations show that interfacial sliding contributes significantly to the plastic deformation despite a strong bonding across the interface. Critical for the strength of the nanocomposite is the geometric confinement of dislocation processes in the plastic phase. The confinement effect strongly depends on the length scale and the morphology of the metallic nanostructure. The main conclusion drawn for this material is that below a critical length scale, the softening caused by interfacial sliding prevails, giving rise to a maximum strength at the optimum size.

Viele nanostrukturierte Materialien sind durch ihre Längenskalen-abhängigen mechanischen Eigenschaften und durch Größeneffekte gekennzeichnet. Aufgrund geometrischer Einengung unterscheiden sich Versetzungsbewegungen, grenzfläachenplastizität und makroskopisches Fließen grundlegend von grob strukturierten Metallen. Welche Rolle die Grenzflächen für die Materialeigenschaften und für die vorherrschenden Verformungsmechanismen spielen, ist noch nicht abschließend geklärt. Diese Arbeit konzentriert sich auf den Einfluss geometrischer Einengung auf die Plastizität von nanostrukturierten, zweiphasigen Metallkompositen. Mit Hilfe von rechnergestützten Simulationen werden Größeneffekte auf Versagensmechanismen und Materialeigenschaften auf der atomaren und mesoskopischen Skala aufgeklärt. Das Skalierungsverhalten der Bruchzähigkeit eines durch Sprödbruch versagenden Schichtmaterials wird mit einem diskreten Versetzungsmodell untersucht. Das Modell berücksichtigt den Einengungseffekt, den eine Schichtgeometrie auf die kollektive Versetzungsbewegung in der Nähe eines laufenden Risses ausübt. Sowohl die kritische Schichtdicke, bei der die Bulk-Bruchzähigkeit des Materials erreicht wird, als auch die Bulk-Bruchzähigkeit selbst steigen mit der kohäsiven Festigkeit der Grenzfläche und verringern sich mit der Fließfestigkeit des Volumenmaterials. Eine wesentliche Aussage dieser Arbeit ist, dass die Bruchzähigkeit als Funktion der Schichtdicke graduell in eine Sättigung übergeht, wenn die Versetzungsaktivtät um die Rissspitze herum erteilt ist. Sie steigt jedoch sprunghaft an, wenn Gleitprozesse direkt an der Rissspitze möglich sind und eine kompakte, abschirmende Versetzungsreihe an der Rissspitze ausgebildet werden kann.Weiterhin liefert diese Arbeit erste Erkenntnisse Äuber das Verformungverhalten bioinspirierter Metall-Nanokomposite. Die mit großskaliger Molekulardynamik simulierten Nanostrukturen bestehen aus harten in einer weichen Al-Matrix eingebetteten Ni-Plättchen. In dieser Arbeit werden zur Aufklärung der vorherrschenden Verformungsmechanismen die individuellen Gleitanteile der Versetzungsaktivitäten in der Matrix sowie des Grenzflächengleitens als Funktion von der Strukturskalierung quantifiziert. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass Grenzflächengleiten trotz großer Grenzflächenhaftung wesentlich zur plastischen Verformung beiträgt. Entscheidend für die Festigkeit des Nanokomposits ist die Einengung der Versetzungsprozesse innerhalb der weichen Phase. Der Einengungseffekt hängt stark von der Längenskala und der Morphologie der Nanostruktur ab. Eine wichtige Aussage für dieses Materialsystem ist, dass das Material durch das Einsetzen von Grenzflächengleiten unterhalb einer kritischen Längenskala seine Festigkeit verliert.