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Dec 04, 2023

Sul criterio di resa dei materiali porosi mediante l'approccio di omogeneizzazione e Steigmann

Scientific Reports volume 13, Numero articolo: 10951 (2023) Cita questo articolo 118 Accessi 1 Dettagli metriche altmetriche In questo lavoro, indaghiamo il criterio di resa dei materiali nanoporosi utilizzando

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 10951 (2023) Citare questo articolo

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In questo lavoro, indaghiamo il criterio di resa dei materiali nanoporosi utilizzando l'approccio di omogeneizzazione e il modello di superficie Steigmann-Ogden. L'elemento volumetrico rappresentativo è proposto come una matrice infinita contenente un minuscolo nanovuoto. La matrice è incomprimibile, rigida, perfettamente plastica, i materiali di von Mises e i nanovuoti sono diluiti e di dimensioni uguali. Innanzitutto, il valore costitutivo dello stress microscopico e della velocità di deformazione microscopica viene stabilito in base al criterio del flusso. In secondo luogo, secondo il lemma di Hill, la relazione tra il modulo equivalente macroscopico e il modulo equivalente microscopico è stabilita mediante un approccio di omogeneizzazione. In terzo luogo, il modulo equivalente macroscopico contenente il modello di superficie Steigmann-Ogden inclusi i parametri di superficie, porosità e raggio nanovoide è derivato dal campo di velocità microscopico di prova. Infine, viene sviluppato un criterio di resa macroscopica implicito per i materiali nanoporosi. Per quanto riguarda il modulo superficiale, gli studi sul raggio dei nanovuoti e sulla porosità vengono sviluppati attraverso estesi esperimenti numerici. I risultati della ricerca contenuti in questo documento hanno un significato di riferimento per la progettazione e la produzione di materiali nanoporosi.

I materiali nanoporosi hanno proprietà eccezionali, tra cui elevata porosità1, ampia area superficiale specifica, elevata conduttività termica, elevata conduttività elettrica, elevato assorbimento di energia e resistenza alla corrosione. Grazie alle proprietà superiori dei materiali nanoporosi, sono stati sviluppati anche articoli di ricerca correlati, compreso lo studio del modulo efficace2,3, della risposta elastica4,5,6,7 e dell'analisi della resistenza dei materiali nanoporosi8,9.

Tra questi studi, la maggior parte della letteratura si limita all’effetto delle risposte meccaniche della superficie e dell’interfaccia sulle proprietà elastiche, mentre manca l’attenzione sui criteri di resistenza per i materiali nanoporosi, che hanno importanti implicazioni per la progettazione e la fabbricazione di materiali nanoporosi. In termini di criterio di snervamento dei materiali porosi, Gurson1 ha proposto il famoso criterio di snervamento di Gurson basato sul campo di velocità microscopico sperimentale dal punto di vista energetico. L'effetto del rapporto dei vuoti sul criterio di snervamento macroscopico è pienamente considerato nel criterio di snervamento di Gurson, in modo che il criterio di snervamento macroscopico dipenda sia dalla tensione equivalente macroscopica che dalla tensione media macroscopica. Poiché gli effetti delle interazioni del vuoto e della coalescenza sono stati ignorati, Tvergaard10 ha migliorato il criterio di resa di Gurson calibrando utilizzando i calcoli delle celle unitarie degli elementi finiti. Tvergaard e Needleman11 hanno ulteriormente esteso il criterio di snervamento macroscopico secondo un insieme di relazioni costitutive elastico-plastiche, noto come il famoso modello GTN.

Per la ricerca sul criterio di resa dei materiali nanoporosi gli studiosi attuano principalmente due metodi: numerico e teorico12,13. Essendo un importante metodo numerico, la teoria degli elementi finiti viene utilizzata anche nello studio del criterio di resa dei materiali nanoporosi. Nasir et al.14 hanno combinato una funzione di snervamento di tipo Gurson che include gli effetti delle dimensioni dei vuoti con la teoria degli elementi finiti per prevedere il limite di formazione dei materiali di alluminio in base allo stress interfacciale della membrana attorno ai vuoti sferici. I risultati mostrano che una dimensione del vuoto più piccola porta ad un aumento del limite di duttilità del materiale. Espeseth et al.15 hanno presentato uno studio numerico di una cella unitaria basata su elementi finiti costituita da un singolo vuoto sferico incorporato in un materiale di matrice, con effetti dimensionali rappresentati da un modello di plastica porosa con vuoti. Espeseth ha studiato l'effetto della scala di lunghezza intrinseca del materiale della matrice sulla crescita dei vuoti e sulla coalescenza in una serie di stati di stress. A differenza della teoria classica degli elementi finiti, Usman et al.16 hanno studiato l'effetto della forma del vuoto sui micromeccanismi di crescita del vuoto utilizzando simulazioni di plasticità delle dislocazioni discrete e utilizzando il metodo degli elementi finiti estesi (XFEM) per modellare le discontinuità di spostamento.