Model of al crystal fracture under high-rate strain based on molecular-dynamic simulations
The kinetic model of fracture under high-rate strain based on the results of molecular dynamic (MD) simulations is presented.
Kinetic parameters for the model as functions of strain and temperature are obtained via statistical averaging over
sets of multiple MD runs of (a) void nucleation in a crystal and (b) void growth under stretching. Within the EAM model
of single crystal Al at the temperature close to the melting point it is shown that: (a) the void formation is a two-stage
process of crystal homogeneous melting and further cavitation in the melt formed; (b) lattice amorphisation predominates
over dislocations emission in the mechanism of the void growth. With the help of the model developed dynamic spall
strength of the defect free Al crystal is calculated. While the good agreement with the experimental data is observed in
the high-temperature region, it becomes worse when temperature decreases. This fact could manifest the increasing role
of defects.
В работе представлена кинетическая модель разрушения при высокоскоростном растяжении, основанная на данных молекулярно-динамических расчетов о скорости зарождения полостей и скорость их роста. Кинетические
параметры для модели как функции степени растяжения и температуры получены путем усреднения по наборам
молекулярно-динамических траекторий. В рамках модели погруженного атома для межатомного взаимодействия
в алюминии установлено, что а) процесс разрушения монокристаллического алюминия в области температур,
близких к температуре плавления, состоит из локального гомогенного плавления и дальнейшего образования и
роста полости внутри расплава; б) среди возможных механизмов роста полости аморфизация решетки преобладает над ростом за счет формирования плоскостей сдвига. На основе развитой модели проведен расчет динамической откольной прочности Al. Сравнение с экспериментальными данными показало хорошее согласие при
температуре около 900 K, ухудшающееся с понижением температуры.
1. Kanel G.I., Razorenov S.V., Fortov V.E. Shock-wave compression and tension of solids at elevated temperatures: superheated
crystal states, pre-melting, and anomalous growth of the yield strength // J. Phys.: Condenced Matter V. 16. 2004. S1007–S1016.
2. Dekel E., Eliezer S., Henis Z., Moshe E., Ludmirsky A., Goldberg I.B. Spallation model for the high strain rates range // J. Appl. Phys. V. 84. 1998. P. 4851.
3. Belak J. On the nucleation and growth of voids at high strain-rates // J. Comp.-Aided Mater. Design V. 5. 1998. P. 193–206.
4. Belak J. Multi-scale applications to high strain-rate dynamic fracture // ibidem V. 9. 2002. P. 165–172.
5. Barbee T.W., Seaman J.L., Crewdson R.J., Curran D.R. Dynamic Fracture Criteria for Ductile and Brittle Metals // Materials. V. 7. 1972. № 3. P. 393.
6. Mishin Y., Farkas D., Mehl M.J., Papaconstantopoulos D.A. Interatomic potentials for monoatomic metals from experimental data and ab initio calculations // Phys. Rev. B. V. 59. 1999. P. 3393–3407.
7. Liu X.-Y., Ercolessi F., Adams J.B. Aluminium interatomic potential from density functional theory calculations with improved stacking fault energy // Modell. Simul. Mater. Sci. Eng. 2004. № 12. P. 665.
8. Plimpton S.J. Fast parallel algorithms for short-range molecular dynamics // J. Comp. Phys. V. 117. 1995. P. 1–19.
http://lammps.sandia.gov/index.html
9. Скрипов В.П., Файзуллин М.З. Фазовые переходы кристалл-жидкость-пар и термодинамическое подобие. // М.: Физматлит, 2003. 160 c.
10. Норман Г.Э., Стегайлов В.В. Гомогенная нуклеация в перегретом кристалле. Молекулярно-динамический расчет // ДАН. Т. 386. № 3. 2002. С. 328.
11. Norman G.E., Stegailov V.V. Simulation of Ideal Crystal Superheating and Decay // Mol. Simul. V. 30. 2004. P. 397–406.
12. Baidakov V.G., Protsenko S.P. Singular Point of a System of Lennard-Jones Particles at Negative Pressures // Phys. Rev. Lett. V. 95. 2005. P. 015701.
13. Куксин А.Ю., Норман Г.Э., Стегайлов В.В. Фазовая диаграмма и спинодальный распад метастабильных состояний Леннард-Джонсовской системы // ТВТ Т. 45. 2007. С. 43.
14. Kelchner C.L., Plimpton S.J., Hamilton J.C. Dislocation nucleation and defect structure during surface indentation // Phys. Rev. B V. 58. 1998. P. 11085.
