Multi-scale modeling of fracture behavior of polycrystalline ferroelectric ceramics under monotonic and cyclic electromechanical loading
Mechanical Properties of Metallic Materials and their Microstructural Origins
Final Report Abstract
Im Projekt wurde eine skalenübergreifende Modellierung für das nichtlineare elektromechanische Verhalten von ferroelektrischen polykristallinen Funktionskeramiken unter gekoppelter elektrischer, mechanischer und ggf. thermischer Beanspruchung entwickelt. Der besondere Schwerpunkt lag auf der Modellierung der mikrostrukturellen Schädigungsprozesse, der Rissbildung und der makroskopischen Bruchvorgänge. Auf der Mikro-und Meso-Skala wurden bewährte mikromechanisch orientierte Modelle der Arbeitsgruppe eingesetzt und bzgl. thermischer Feldkopplung weiter entwickelt. Zur Analyse des ferroelektrischen Materialverhaltens auf der Makro-Skala wurde das phänomenologische Kontinuumsmodell von Landis eingesetzt. Zur Simulation der Versagensprozesse wie Schädigung, Anrissbildung und Rissausbreitung wurden spezielle Kohäsivzonenmodelle verwendet, die bei zyklischen mechanischen oder/und elektrischen Beanspruchungen das fortschreitende Materialversagens abbilden. Alle Materialmodelle wurden modular in eine User-Element-Bibliothek für das FEM-Programm ABAQUS integriert. Dies gestattet die Lösung nichtlinearer, (thermo-)elektromechanischer Randwertaufgaben für beliebige ferroelektrische Strukturen und Bauelemente mit rissartigen Defekten und Belastungsbedingungen aller Art. Auf der Meso-Skala der Funktionskeramik wurden die relevanten Versagensprozesse durch numerische Simulation repräsentativen Gefügeausschnitte bei elektrischen oder mechanischen Wechselbelastungen erforscht. Insbesondere wurde die sukzessive Schädigung von Korngrenzen betrachtet, die zur Bildung von Mikrorissen und Degradation der Materialeigenschaften führt. Des weiteren wurden die elektromechanischen Feldkonzentrationen und Umschaltprozesse der ferroelektrischen Domänen an Rissspitzen eingehend untersucht, die je nach Beanspruchungssituation eine risstreibende oder rissunterdrückende Wirkung haben. Zur Quantifizierung der Beanspruchung an der Rissspitze wurde die Konfigurationskraft berechnet, mit der ein geeignetes bruchmechanisches Versagenskriterien definiert wird. Mit dem makroskopischen Modell von Landis ergaben sich numerische Schwierigkeiten im Fall der hohen Feldgradienten an Rissen. Deshalb wurden auf der Makro-Skala ferroelektrische Strukturen mit Kerben und heterogenen Einschlüssen untersucht. Der Schwerpunkt lag auf der Implementierung und Anwendung der Konfigurationskräfte. Die Vorhersagegüte der mikromechanischen Modellierung wurde anhand von Bruchexperimenten an CT-Proben bestätigt, bei denen die Domänenstruktur am Riss mithilfe von in-situ Röntgenbeugung räumlich ermittelt wurde. Die Simulationen ergaben eine gute Übereinstimmung. Abschließend ist hervorzuheben, dass als Ergebnis des Projektes ein Simulationswerkzeug entstand, das für weitere Anwendungen zur Bewertung der Festigkeit und Lebensdauer ferroelektrischer Bauteile, multifunktionaler Composite u. a. zur Verfügung steht.
Publications
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S. Kozinov und M. Kuna
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(See online at https://doi.org/10.1007/s10704-019-00415-4)
