Многоуровневое моделирование пластичности и разрушения металлов при динамическом нагружении.


Просмотр статьи
PDF, 1,0 МБ

Multiscale modelling of plasticity and fracture of metals under high strain rate

We consider modeling and simulation of dynamic atomistic phenomena and processes in condensed matter under
high strain rate: intensive shock compression and release, uniaxial and hydrostatic stretching. An attempt is done to
draft out the atomistic theory of the phenomena. The basic concepts for the theory are the multiscale approach, the
analysis of thermodynamic paths of relaxation on phase diagrams, the explicit utilization of the stochastic features of
the MD method. A number of "elementary processes" (cavitation of voids at negative pressures, voids growth, dislocation
formation and motion, phase transformations, etc.) are briefly considered for both single and nanocrystals. A
theoretical MD based multiscale approach is presented for the spall process which could be used to extend the MD
results to the larger spatial and temporal scales. Examples are presented for Al, Cu and Fe. The EAM potentials are
deployed. Comparisons with the experimental data available are given. A hierarchy of dynamic and stochastic processes
is discussed.

Генри Эдгарович Норман, А. Ю. Куксин, В. В. Стегайлов, А. В. Янилкин

Том 7, 2008 год



Работа посвящена многомасштабному моделированию, основанному на методе молекулярной динамики,
процессов пластического деформирования и разрушения конденсированных сред при высокоскоростном
деформировании в условиях ударных волн и волн разгрузки. Предпринята попытка построения теории наблюдаемых явлений, начиная с атомного уровня. Основными особенностями теории являются многомасштабный подход, анализ термодинамических путей процессов релаксации на фазовой диаграмме, явное ис-
пользование стохастических свойств метода молекулярной динамики. Рассмотрено несколько «элементарных
процессов» (формирование и рост полостей под действием растягивающих напряжений, зарождение и движение дислокаций), имеющих место в моно- и нанокристаллических материалах. Представлен пример многомасштабной модели откольных явлений, демонстрирующий возможности выхода за пространственные и
временные масштабы прямого атомистического моделирования. Для описания межатомных взаимодействий
в металлах (Al, Cu, Fe) используется метод погруженного атома. Приводится сопоставление с доступными
экспериментальными данными. Обсуждается иерархия динамических и стохастических процессов.

Генри Эдгарович Норман, А. Ю. Куксин, В. В. Стегайлов, А. В. Янилкин

Том 7, 2008 год



1. Yanilkin, A.V. et al. Atomistic simulation of high strain rate plasticity, spall damage and fracture of nanocrystalline Cu // In Shock Compression of Condensed Matter – 2007, Ed. By M.D. Furnish et al. American Institute of Physics, New York. 2007.
2. Kuksin, A.Y. et al. Modeling of Al crystal fracture under high-rate strain based on atomistic simulations // In Shock Compression of Condensed Matter – 2007, Ed. by M.D. Furnish et al. American Institute of Physics, New York. 2007.
3. Stegailov, V.V. et al. Atomistic study of nanoprecipitates influence on plasticity and fracture of crystalline metals // In Shock Compression of Condensed Matter – 2007, Ed. by M.D. Furnish et al. American Institute of Physics, New York. 2007.
4. Norman G.E., Stegailov V.V. // Comput. Phys. Comm. V. 147. 2002. P. 678.
5. Kuksin A.Y., Morozov I.V., Norman G.E., Stegailov V.V., Valuev I.A. // Mol. Simul. V. 31. 2005. P. 1005.
6. Plimpton S.J. // J. Comp. Phys. V. 117. 1995. P. 1–19. http://lammps.sandia.gov/index.html
7. Норман Г.Э., Стегайлов В.В. // ДАН. Т. 386. № 3. 2002. С. 328.
8. Kuksin A.Yu., Norman G.E., Stegailov V.V. // In: Computational Physics. Proc. of the 1st joint conference of ICCP6 and CCP2003. Ed. X.-G. Zhao, S. Jiang and X.-J. Yu. Rinton Press. 2005. P. 126.
9. Baidakov V.G., Protsenko S.P. // Phys. Rev. Lett. V. 95. 2005. P. 015701.
10. Стегайлов В.В., Янилкин А.В. // ЖЭТФ. Т. 131. № 6. 2007. С. 1064−1072.
11. Норман Г.Э., Стегайлов В.В., Янилкин А.В. // ТВТ. Т. 45. № 2. 2007. С. 193−202.
12. Kanel G.I., Razorenov S.V., Fortov V.E. //J. Phys.: Condenced Matter. V. 16. 2004. P. S1007.
13. Barbee T.W., Seaman L., Crewdson R., Curran D.R. // J. of Materials. V. 7 1972. P. 393.
14. Belak J. //J. Comp.-Aided Mater. Design. V. 5. 1998. P. 193.