Modeling of crack-tip plasticity in tungsten single crystals

Abstract

Many materials exhibit a transition from brittle behavior at low temperatures to ductile response at higher temperatures. The mechanisms controlling this brittle-to-ductile transition (BDT) remain unclear despite the large efforts made in experimental and theoretical investigations. In particular, the question whether it is dislocation nucleation or dislocation mobility which controls crack-tip plasticity and thus the brittle-to-ductile transition is still unanswered. This problem is tackled again here by studying the plastic deformation of the crack-tip region on the basis of discrete dislocation models. The results of the numerical studies performed in this work and their comparison with the results of an experimental study on tungsten single crystals leads to new insights on crack-tip plasticity and the BDT. The results are valid primarily for tungsten, but it can safely be assumed that they are transferable at least to other transition metals. A main conclusion drawn in this work is that crack-tip plasticity is limited by dislocation nucleation in well-annealed material at low temperatures. The lack of active dislocation sources prevents the emission of a sufficient number of dislocations to provide an efficient shielding of the crack tip. At higher temperatures the dislocation sources along the crack front become increasingly active and dislocation mobility starts to limit crack-tip plasticity and thus fracture toughness. The dislocations, which are generated in larger numbers, cannot leave the crack-tip region fast enough and thus inhibit the instantaneous nucleation of further dislocations.

Viele Materialien zeigen einen Übergang von sprödem zu duktilem Verhalten bei steigender Temperatur. Die Mechanismen, die diesen Spröd-duktil-Übergang kontrollieren, sind trotz großer Anstrengungen experimenteller und theoretischer Natur immer noch nicht vollständig verstanden. Insbesondere die Frage, ob Rissspitzenplastizität und somit der Spröd-duktil-Übergang von der Versetzungsnukleation oder von der Versetzungsmobilität kontrolliert wird, ist immer noch unbeantwortet. In der vorliegenden Arbeit werden weitere Schritte unternommen, um dieser Antwort näher zu kommen. Dazu wird die plastische Verformung im Bereich einer Rissspitze mit Hilfe von diskreten Versetzungsmodellen untersucht. Die Ergebnisse der in der vorliegenden Arbeit durchgeführten numerischen Studien und der Vergleich mit experimentellen Ergebnissen an Wolfram-Einkristallen liefert neue Erkenntnisse über die Rissspitzenplastizität und den Spröd-duktil-Übergang. Die Ergebnisse sind primär für Wolfram gültig, jedoch kann davon ausgegangen werden, dass sie sich zumindest auf andere Übergangsmetalle übertragen lassen. Eine wesentliche Aussage dieser Arbeit ist, dass die Rissspitzenplastizität bei tiefen Temperaturen durch die Versetzungsnukleation eingeschränkt wird. Der Mangel an aktiven Quellen verhindert die Entstehung einer zur effizienten Abschirmung des Risses ausreichenden Anzahl an Versetzungen. Bei höheren Temperaturen werden die Quellen entlang der Rissfront verstärkt aktiv und somit wird die Versetzungsmobilität der kritische Faktor für die Rissspitzenplastizität. Die in vermehrter Zahl erzeugten Versetzungen können sich nicht hinreichend schnell von der Rissspitze entfernen und verhindern somit die sofortige Nukleation weiterer Versetzungen.