3D simulations of the interactions between crack and dislocations
Simulations 3D des interactions entre fissure et dislocations
Résumé
Fracture toughness in materials is not only controlled by macroscopic parameters but also by the microstructure. The defects of the crystalline structure such as voids, inclusions or dislocations can also greatly impact toughness. To better understand this, 3D simulations of a crack front interacting with dislocations will be carried out. These simulations aim at measuring the variations of the stress intensity factors on the crack front caused by the presence of dislocations. To carry out these simulations, two preexisting models will be combined: Extended Finite Elements Method (XFEM) and Discrete Dislocation Dynamics (DDD). XFEM is an evolution of the Finite Elements Methods that allows the study of a propagating crack without needing to remesh, it will control the studied volume, the applied loading and the crack position while DDD controls the dislocations, their movement, and their multiplication. The accuracy of the created model is tested by comparisons with atomistic simulations. To test the effect of dislocations on toughness, several dislocations with different slip systems were studied. Other parameters such as dislocation crack distance, line direction, and initial strain were also studied. To compare the studied model with existing simulation results, two crack orientations were selected. The studied dislocations have different behaviors depending on their slip system. The results show dislocations creating shielding, antishielding or a combination of both. These effects are only dependent of the dislocation nature, and do not change when the dislocation line direction changes or if the dislocation is farther from the crack, though the intensity of the effect does change given these circumstances. Since the presence of dislocations is associated to a shear stress in their glide planes, it is found that they have more effect on KII than on KI. KII also controls the crack propagation angle, which means that the dislocations are one of the main sources of crack deviation.
La ténacité à la rupture est contrôlée non seulement par les paramètres macroscopiques mais aussi par la microstructure. Les défauts de la structure cristalline comme les lacunes, les inclusions ou les dislocations peuvent aussi grandement impacter la ténacité. Pour mieux comprendre ce phénomène, on mènera des simulations 3D d'un front de fissure interagissant avec des dislocations. Ces simulations visent à mesurer les variations des facteurs d'intensité des contraintes sur le front de fissure créées par la présence de dislocations. Pour cela, on combinera deux modèles préexistants : la méthode des éléments finis étendus (XFEM) et la dynamique des dislocations discrètes (DDD). XFEM est une évolution de la méthode des éléments fini qui permet l'étude d'une fissure qui se propage sans avoir besoin de remaillage, elle contrôlera le volume étudié, le chargement appliqué et la position de la fissure tandis que tant que la DDD contrôlera les dislocations, leur mouvement et leur multiplication. La précision du modèle crée sera testée en le comparant avec des résultats de simulations atomistiques. Pour mesurer qualitativement les effets des dislocations sur la ténacité, plusieurs dislocations avec des différents systèmes de glissement seront étudiées. D'autres paramètres comme la distance entre la fissure et la dislocation, la direction de la fissure, et la déformation initiale seront aussi étudiées. Pour comparer le modèle étudié avec des résultats provenant d'autres simulations, deux orientations de fissure seront simulées. Les dislocations étudiées ont des effets sur la fissure différents en fonction de leur système de glissement. Les résultats montrent des dislocations créant soit de l'écrantage, doit de l'anti-écrantage soit une combinaison des deux. Ces effets sont uniquement dépendants de la nature de la dislocation et ne changent pas quand la direction du vecteur de ligne de la dislocation change, ni quand la dislocation est plus éloignée de la fissure, même si l'intensité de l'effet change. De plus, les dislocations étant associées à un état de cisaillement local, elles affectent plus fortement KII que KI. KII contrôle aussi l'angle de propagation de la fissure, ce qui implique que les dislocations sont une des principales sources des déviations des fissures.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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