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Dec 04, 2023

균질화 접근법에 의한 다공성 재료의 항복 기준과 Steigmann

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 10951(2023) 이 기사 인용 118 액세스 1 Altmetric Metrics 세부 정보 이 연구에서 우리는 다음을 사용하여 나노다공성 물질의 항복 기준을 조사합니다.

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 10951(2023) 이 기사 인용

118 액세스

1 알트메트릭

측정항목 세부정보

본 연구에서는 균질화 접근법과 Steigmann-Ogden 표면 모델을 사용하여 나노다공성 물질의 항복 기준을 조사합니다. 대표적인 체적 요소는 작은 나노공극을 포함하는 무한 매트릭스로 제안됩니다. 매트릭스는 비압축성이며 견고하고 완벽한 플라스틱이며 von Mises 재료와 나노 공극은 묽고 크기가 동일합니다. 첫째, 유동기준에 기초하여 미시적 응력과 미시적 변형률의 구성요소를 설정한다. 둘째, Hill's lemma에 따르면 거시적 등가 계수와 미시적 등가 계수 사이의 관계는 균질화 접근법에 의해 확립됩니다. 셋째, 표면 매개변수, 다공성 및 나노공극 반경을 포함하는 Steigmann-Ogden 표면 모델을 포함하는 거시적 등가 계수는 시험 미세 속도장에서 파생됩니다. 마지막으로, 나노다공성 물질에 대한 암묵적인 거시적 항복 기준이 개발되었습니다. 표면 탄성률에 대해서는 광범위한 수치 실험을 통해 나노공극 반경 및 다공성 연구가 개발되었습니다. 본 논문의 연구 결과는 나노다공성 물질의 설계 및 제조에 참고적 의의가 있다.

나노다공성 물질은 높은 다공성1, 큰 비표면적, 높은 열 전도성, 높은 전기 전도성, 높은 에너지 흡착 및 내식성을 비롯한 뛰어난 재료 특성을 가지고 있습니다. 나노다공성 물질의 우수한 특성으로 인해 유효 모듈러스2,3, 탄성 반응4,5,6,7 및 나노다공성 물질의 강도 분석8,9에 대한 연구를 포함한 관련 연구 기사도 개발되었습니다.

이들 연구 중 대부분의 문헌은 탄성 특성에 대한 표면 및 계면 기계적 반응의 영향으로 제한되어 있는 반면, 나노다공성 물질의 설계 및 제조에 중요한 영향을 미치는 나노다공성 물질의 강도 기준에 대한 초점은 부족합니다. 다공성 물질의 항복 기준과 관련하여 Gurson1은 에너지 관점에서 시험 미시적 속도장을 기반으로 한 유명한 Gurson 항복 기준을 제안했습니다. 거시적 항복 기준에 대한 공극률의 영향은 Gurson 항복 기준에서 완전히 고려되므로 거시적 항복 기준은 거시적 등가 응력과 거시적 평균 응력 모두에 따라 달라집니다. 공극 상호작용 및 유착의 효과가 무시되었기 때문에 Tvergaard10은 유한 요소 단위 셀 계산을 사용하여 보정하여 Gurson 항복 기준을 개선했습니다. Tvergaard와 Needleman11은 유명한 GTN 모델로 알려진 일련의 탄성-소성 구성 관계에 따라 거시적 항복 기준을 더욱 확장했습니다.

나노다공성 물질의 수율 기준에 대한 연구를 위해 학자들은 주로 수치적 방법과 이론적 방법의 두 가지 방법을 수행합니다12,13. 유한요소론은 나노다공성 물질의 항복기준 연구에 중요한 수치적 방법으로 사용됩니다. Nasir 등14은 공극 크기 효과를 포함한 Gurson 유형 항복 함수를 유한 요소 이론과 결합하여 구형 공극 주변 멤브레인의 계면 응력을 기반으로 알루미늄 재료의 형성 한계를 예측했습니다. 결과는 공극 크기가 작을수록 재료의 연성 한계가 증가한다는 것을 보여줍니다. Espeseth et al.15는 매트릭스 재료에 내장된 단일 구형 공극으로 구성된 유한 요소 기반 단위 셀에 대한 수치 연구를 발표했으며, 공극이 있는 다공성 플라스틱 모델로 표현되는 크기 효과가 있습니다. Espeseth는 다양한 응력 상태에서 공극 성장 및 유착에 대한 매트릭스 재료의 고유 길이 규모의 영향을 조사했습니다. 고전적인 유한 요소 이론과 달리 Usman et al.16은 이산 전위 소성 시뮬레이션을 사용하고 확장된 유한 요소법(XFEM)을 사용하여 변위 불연속성을 모델링함으로써 공극 모양이 공극 성장의 미세 메커니즘에 미치는 영향을 조사했습니다.