Новости

Dec 04, 2023

О критерии текучести пористых материалов методом гомогенизации и Стейгмана

Scientific Reports, том 13, номер статьи: 10951 (2023) Цитировать эту статью 118 Доступы 1 Подробности альтметрической метрики В этой работе мы исследуем критерий текучести нанопористых материалов с помощью

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 10951 (2023) Цитировать эту статью

118 доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

В этой работе мы исследуем критерий текучести нанопористых материалов, используя подход гомогенизации и модель поверхности Стейгмана-Огдена. Репрезентативный элемент объема предлагается в виде бесконечной матрицы, содержащей крошечную нановоиду. Матрица несжимаемая, жестко-идеально пластичная, материалы Мизеса и нановоиды разбавлены и равны по размерам. Во-первых, на основе критерия текучести устанавливается составляющая микроскопического напряжения и скорости микроскопической деформации. Во-вторых, согласно лемме Хилла, связь между макроскопическим эквивалентным модулем и микроскопическим эквивалентным модулем устанавливается с помощью подхода гомогенизации. В-третьих, макроскопический эквивалентный модуль, содержащий модель поверхности Стейгмана-Огдена, включая параметры поверхности, пористость и радиус нановоиды, выводится из пробного микроскопического поля скоростей. Наконец, разработан неявный макроскопический критерий текучести для нанопористых материалов. Исследования модуля поверхности, радиуса нановоид и пористости проводятся посредством обширных численных экспериментов. Результаты исследований в данной работе имеют справочное значение для проектирования и производства нанопористых материалов.

Нанопористые материалы обладают выдающимися свойствами материала, включая высокую пористость1, большую удельную поверхность, высокую теплопроводность, высокую электропроводность, высокую адсорбцию энергии и коррозионную стойкость. Из-за превосходных свойств нанопористых материалов также были разработаны соответствующие исследовательские статьи, включая изучение эффективного модуля2,3, упругого отклика4,5,6,7 и анализа прочности нанопористых материалов8,9.

Среди этих исследований большая часть литературы ограничивается влиянием поверхностных и межфазных механических реакций на упругие свойства, при этом не уделяется внимания критериям прочности нанопористых материалов, что имеет важные последствия для проектирования и изготовления нанопористых материалов. Что касается критерия текучести пористых материалов, Гурсон1 предложил знаменитый критерий текучести Гурсона, основанный на пробном микроскопическом поле скоростей с точки зрения энергии. Влияние коэффициента пустотности на макроскопический критерий текучести полностью учитывается в критерии текучести Гурсона, так что макроскопический критерий текучести зависит как от макроскопического эквивалентного напряжения, так и от макроскопического среднего напряжения. Поскольку эффекты взаимодействия пустот и слияния игнорировались, Твергаард10 улучшил критерий текучести Гурсона путем калибровки с использованием расчетов элементарных ячеек методом конечных элементов. Твергаард и Нидлман11 далее расширили макроскопический критерий текучести в соответствии с набором упруго-пластических определяющих соотношений, известных как знаменитая модель GTN.

Для исследования критерия текучести нанопористых материалов ученые в основном используют два метода: численный и теоретический12,13. В качестве важного численного метода теория конечных элементов также используется при исследовании критерия текучести нанопористых материалов. Насир и др.14 объединили функцию текучести типа Гурсона, включающую эффекты размера пустот, с теорией конечных элементов, чтобы предсказать предел формования алюминиевых материалов на основе межфазного напряжения мембраны вокруг сферических пустот. Результаты показывают, что меньший размер пустот приводит к увеличению предела пластичности материала. Эспесет и др.15 представили численное исследование элементарной ячейки на основе конечных элементов, состоящей из одной сферической пустоты, встроенной в матричный материал, с размерными эффектами, представленными моделью пористого пластика с пустотами. Эспесет исследовал влияние собственной длины матричного материала на рост и слияние пустот в различных напряженных состояниях. В отличие от классической теории конечных элементов, Усман и др.16 исследовали влияние формы пустот на микромеханизмы роста пустот, используя моделирование пластичности дискретных дислокаций и используя расширенный метод конечных элементов (XFEM) для моделирования разрывов смещения.