Molecular dynamics simulations of dynamic crack propagation in brittle materials

Thumbnail Image

Files

master_Karhulahti_Gabriella_2025.pdf (16.88 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Science | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025-05-07

Department

Major/Subject

Advanced Energy Technologies

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Engineering Physics

Language

en

Pages

67

Series

Abstract

In this thesis, molecular dynamics is used to simulate crack propagation in brittle materials. The purpose of the study is to investigate the suitability of classical interatomic potentials for describing atomic fracture mechanisms. Three materials (silicon, iron, and nickel) have been studied that have different crystal structures, allowing for a comparative analysis. In addition, two potentials per material were analyzed to assess potential discrepancies. The study is limited to materials exposed to tensile stress caused by dynamic loading. Pristine crystal structures containing a predefined seed crack were used for the simulations. Griffith's theory has been used to calculate the theoretical values for the critical load for each material. The theory is limited to elastic materials that fracture in a brittle manner, meaning that no plastic deformation will occur before the fracture. The theory is formulated using continuum mechanics which does not take certain atomistic fracture mechanisms into account. Two of these mechanisms are lattice trapping and dislocation emissions, which will prevent propagation to some extent and cause a higher critical load. Previous fracture studies on the same materials and crystal orientations have exhibited brittle fractures. Most of the simulations in this study showed typical characteristics of ductile fractures. The simulation of a crack in iron along the (110) crystal axis, in particular, exhibited dislocation emission. Although most of the materials did not undergo ideal brittle fractures, plastic deformation was limited and the simulated critical loads were close to the theoretical values. Additionally, a fracture study on hexagonal ice was attempted, but was not feasible due to long simulation times and incompatibility of the ice structure and potential. This study has shown that classical potentials are capable, to some extent, of capturing crack propagation in brittle materials. Although the simulated critical load values are consistently higher than theoretical predictions. The fracture behaviour is consistent with previous experimental and computational studies.

I detta diplomarbete har molekyldynamik använts för att simulera dynamisk sprickutbredning i sköra material. Syftet med arbetet är att undersöka om klassiska potentialer kan användas för att simulera atomiska mekanismer vid utbredning av sprickor. För att ge en bred översikt har tre olika material undersökts (kisel, järn och nickel), vilka alla uppvisar olika kristallstruktur. Två potentialer per material användes för att se möjliga skillnader mellan potentialerna. Studien är begränsad till dynamiska belastningar av dragspänning på en perfekt kristall som innehåller en ursprunglig spricka som behövs för att studera sprickutbredningen. Griffiths sprödbrottsteori har använts för att beräkna teoretiska värden för den kritiska belastningen. Teorin är begränsad till elastiska material som uppvisar sprödbrott, detta innebär att ingen plastisk deformation kommer att ske innan sprickan börjar röra sig. Denna teori baserar sig på kontinuummekanik vilket orsakar att vissa brottmekanismer som ses på atomär nivå inte tas i beaktande. Dessa mekanismer är t.ex. gitterfångning eller emission av dislokationer vilka kommer att bromsa upp sprickutbredningen och orsakar ett högre värde för den kritiska belastningen. I tidigare studier av sprickutbredning där samma material och kristallorienteringar har använts har spröda brott kunnat ses. Trots detta har de flesta simuleringar i denna studie uppvisat egenskaper som tyder på sega brott. Detta är särskilt tydligt i simuleringar av sprickor i järn längs (110)-kristallaxeln, där en stor mängd dislokationer har observerats. Trots att materialen inte har betett sig som ideella spröda material har ingen större plastisk deformation skett och de simulerade kritiska belastningarna har varit nära de teoretiska värdena. Simuleringar av brott i hexagonal is försöktes även, men på grund av långa simuleringstider samt inkompatibilitet mellan potentialerna och is strukturerna kunde inga simuleringar köras. Detta arbete har visat att de klassiska potentialerna relativt bra kan simulera sprickutbredning i sköra material fastän de simulerade värdena för den kritiska belastningen har varit högre än de teoretiska. De egenskaper som setts i andra experimentella eller beräkningsstudier för liknande brott har även kunnat ses i denna studie.

Description

Supervisor

Sand, Andrea

Thesis advisor

Clement, Antoine

Keywords

molecular dynamics, crack propagation, fracture mechanics, dynamic fracture, brittle fracture, griffith theory

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202506174915

Collections

[dipl] Perustieteiden korkeakoulu / SCI