Adaptation of atomistic and continuum methods for multiscale simulation of quasi-brittle intergranular damage

The numerical simulation of damage using phenomenological models on the macroscale was state of the art for many decades. However, such models are not able to capture the complex nature of damage, which simultaneously proceeds on multiple length scales. Furthermore, these phenomenological models usually contain damage parameters, which are physically not interpretable. Consequently, a reasonable experimental determination of these parameters is often impossible. In the last twenty years, the ongoing advance in computational capacities provided new opportunities for more and more detailed studies of the microstructural damage behavior. Today, multiphase models with several million degrees of freedom enable for the numerical simulation of micro-damage phenomena in naturally heterogeneous materials. Therewith, the application of multiscale concepts for the numerical investigation of the complex nature of damage can be realized. The presented thesis contributes to a hierarchical multiscale strategy for the simulation of brittle intergranular damage in polycrystalline materials, for example aluminum. The numerical investigation of physical damage phenomena on an atomistic microscale and the integration of these physically based information into damage models on the continuum meso- and macroscale is intended. Therefore, numerical methods for the damage analysis on the micro- and mesoscale including the scale transfer are presented and the transition to the macroscale is discussed. The investigation of brittle intergranular damage on the microscale is realized by the application of the nonlocal Quasicontinuum method, which fully describes the material behavior by atomistic potential functions, but reduces the number of atomic degrees of freedom by introducing kinematic couplings. Since this promising method is applied only by a limited group of researchers for special problems, necessary improvements have been realized in an own parallelized implementation of the 3D nonlocal Quasicontinuum method. The aim of this implementation was to develop and combine robust and efficient algorithms for a general use of the Quasicontinuum method, and therewith to allow for the atomistic damage analysis in arbitrary grain boundary configurations. The implementation is applied in analyses of brittle intergranular damage in ideal and nonideal grain boundary models of FCC aluminum, considering arbitrary misorientations. From the microscale simulations traction separation laws are derived, which describe grain boundary decohesion on the mesoscale. Traction separation laws are part of cohesive zone models to simulate the brittle interface decohesion in heterogeneous polycrystal structures. 2D and 3D mesoscale models are presented, which are able to reproduce crack initiation and propagation along cohesive interfaces in polycrystals. An improved Voronoi algorithm is developed in 2D to generate polycrystal material structures based on arbitrary distribution functions of grain size. The new model is more flexible in representing realistic grain size distributions. Further improvements of the 2D model are realized by the implementation and application of an orthotropic material model with Hill plasticity criterion to grains. The 2D and 3D polycrystal models are applied to analyze crack initiation and propagation in statically loaded samples of aluminum on the mesoscale without the necessity of initial damage definition.Strukturmechanische Ermüdungs- und Lebensdaueranalysen basieren meist auf der Anwendung phänomenologischer Modelle der Schädigungs- und Bruchmechanik zur numerischen Simulationen des makroskopischen Schädigungsverhaltens. Ausgehend von einer definierten Anfangsschädigung sind diese Modelle nicht in der Lage, die tatsächlichen Vorgänge der Rissinitiierung und unterschiedlichen Rissausbreitung zu erfassen. Eine physikalische Interpretation der phänomenologisch eingeführten Schädigungsparameter ist oftmals nicht möglich und deren experimentelle Bestimmung schwierig. Die Berücksichtigung des mikrostrukturellen Aufbaus von Materialien in numerischen Modellen der Schädigungs- und Bruchmechanik bietet neue Möglichkeiten, die für die Rissinitiierung und Rissausbreitung ursächlichen physikalischen Phänomene abzubilden. Zunehmende Erkenntnisse über gleichzeitig auftretende Mikro- und Makroschädigungsvorgänge resultieren in verbesserten numerischen Modellen, mit denen aufwändige und kostenintensive Experimente in der Materialentwicklung zum Teil ersetzt werden können. In Kenntnis einer Vielfalt von unterschiedlichen Schädigungsphänomenen in technischen Materialien fokussiert die vorliegende Dissertation auf die Entwicklung und Verbesserung numerischer Methoden der Atomistik und der Kontinuumsmechanik zur Mehrskalenuntersuchung quasi-spröder Korngrenzenschädigung in polykristallinen Werkstoffen, z.B. Aluminium. Die kombinierte Anwendung dieser Methoden ist Teil eines hierarchischen Mehrskalenansatzes zur Integration des physikalisch beschriebenen Materialverhaltens der Atomistik in ein ingenieurmäßiges Kontinuumsschädigungsmodell. Ziel der Dissertation ist die Entwicklung einer Methodik, die es erlaubt, den Verlust atomarer Bindungen als physikalische Ursache spröder Schädigung zu simulieren und Ergebnisse aus diesen atomistischen Mikroskalen-Simulationen zur Parametrisierung von kohäsiven Materialmodellen der Kontinuumsmechanik zu nutzen. Diese beschreiben den intergranularen Sprödbruch in heterogenen Polykristallmodellen der Mesoskala. Der Einfluss der Heterogenität wird in nichtlinearen Finite-Elemente-Simulationen durch explizite Abbildung der Kornstruktur im mesoskopischen Polykristallmodell berücksichtigt. Durch den Einsatz des kohäsiven Interface-Gesetzes erlaubt das auf der Mesoskala angewandte Kontinuumsmodell die Simulation spröder Korngrenzenschädigung in statisch belasteten 2D und 3D Modellen ohne die Notwendigkeit der Definition einer Anfangsschädigung, wie dies in klassischen Modellen der linear-elastischen Bruchmechanik notwendig ist. Zur effizienten Realisierung der atomistischen Mikroskalen-Simulationen wird eine Implementation der nichtlokalen 3D Quasikontinuumsmethode angewandt. Diese Methode basiert auf einem atomistischen Ansatz und beschreibt das Materialverhalten auf Grundlage atomarer Bindungskräfte. In Modellgebieten mit gleichmäßigem Verformungsfeld werden kinematische Kopplungen atomarer Freiheitsgrade eingeführt, sodass sich die Zahl unabhängiger Freiheitsgrade stark reduziert. Deren effizienter Einsatz erlaubt Simulationen an größeren Modellen ohne Kopplung mit kontinuumsmechanischen Methoden. Eine verbesserte Vernetzung, ein robuster Optimierungsalgorithmus und die vorgenommene Parallelisierung machen die implementierte nichtlokale 3D Quasikontinuumsmethode zu einem effizienten Werkzeug für die robuste Simulation von physikalischen Schädigungsphänomenen in beliebigen atomistischen Konfigurationen. In quasistatischen Simulationen wird eine deutliche Beschleunigung gegenüber der Methode der Gitterstatik bei vergleichbarer Qualität der Ergebnisse erreicht