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Dec 04, 2023

Sobre o critério de rendimento de materiais porosos pela abordagem de homogeneização e Steigmann

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 10951 (2023) Citar este artigo 118 Acessos 1 Detalhes da Altmetric Metrics Neste trabalho, investigamos o critério de rendimento de materiais nanoporosos usando

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 10951 (2023) Citar este artigo

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1 Altmétrico

Detalhes das métricas

Neste trabalho, investigamos o critério de rendimento de materiais nanoporosos usando a abordagem de homogeneização e o modelo de superfície Steigmann-Ogden. O elemento de volume representativo é proposto como uma matriz infinita contendo um minúsculo nanoide. A matriz é incompressível, rígida e perfeitamente plástica, os materiais de von Mises e os nanovoides são diluídos e de tamanho igual. Primeiro, a constitutiva da tensão microscópica e da taxa de deformação microscópica é estabelecida com base no critério de fluxo. Em segundo lugar, de acordo com o lema de Hill, a relação entre o módulo equivalente macroscópico e o módulo equivalente microscópico é estabelecida pela abordagem de homogeneização. Em terceiro lugar, o módulo equivalente macroscópico contendo o modelo de superfície Steigmann-Ogden, incluindo parâmetros de superfície, porosidade e raio nanovoide, é derivado do campo de velocidade microscópico experimental. Finalmente, é desenvolvido um critério de rendimento macroscópico implícito para materiais nanoporosos. Para o módulo de superfície, estudos de raio e porosidade dos nanovóides são desenvolvidos através de extensos experimentos numéricos. Os resultados da pesquisa neste artigo têm importância de referência para o projeto e fabricação de materiais nanoporosos.

Os materiais nanoporosos possuem excelentes propriedades materiais, incluindo alta porosidade1, grande área superficial específica, alta condutividade térmica, alta condutividade elétrica, alta adsorção de energia e resistência à corrosão. Devido às propriedades superiores dos materiais nanoporosos, artigos de pesquisa relacionados também foram desenvolvidos, incluindo o estudo do módulo efetivo2,3, resposta elástica4,5,6,7 e análise de resistência de materiais nanoporosos8,9.

Entre esses estudos, a maior parte da literatura limita-se ao efeito das respostas mecânicas de superfície e interface nas propriedades elásticas, enquanto falta foco nos critérios de resistência para materiais nanoporosos, o que tem implicações importantes para o projeto e fabricação de materiais nanoporosos. Em termos do critério de rendimento de materiais porosos, Gurson1 propôs o famoso critério de rendimento de Gurson baseado no campo de velocidade microscópico experimental da perspectiva da energia. O efeito do índice de vazios no critério de escoamento macroscópico é totalmente considerado no critério de escoamento de Gurson, de modo que o critério de escoamento macroscópico depende tanto da tensão equivalente macroscópica quanto da tensão média macroscópica. Como os efeitos das interações de vazio e da coalescência foram ignorados, Tvergaard10 melhorou o critério de rendimento de Gurson calibrando usando cálculos de células unitárias de elementos finitos. Tvergaard e Needleman11 ampliaram ainda mais o critério de rendimento macroscópico de acordo com um conjunto de relações constitutivas elástico-plásticas, conhecido como o famoso modelo GTN.

Para a pesquisa sobre o critério de rendimento de materiais nanoporosos, os estudiosos realizam principalmente dois métodos: numérico e teórico . Como um método numérico importante, a teoria dos elementos finitos também é utilizada no estudo do critério de rendimento de materiais nanoporosos. Nasir et al.14 combinaram uma função de rendimento do tipo Gurson, incluindo efeitos de tamanho de vazios, com a teoria dos elementos finitos para prever o limite de formação de materiais de alumínio com base na tensão interfacial da membrana em torno de vazios esféricos. Os resultados mostram que um tamanho de vazio menor leva a um aumento no limite de ductilidade do material. Espeseth et al.15 apresentaram um estudo numérico de uma célula unitária baseada em elementos finitos consistindo de um único vazio esférico embutido em um material de matriz, com efeitos de tamanho representados por um modelo plástico poroso com vazios. Espeseth investigou o efeito da escala de comprimento intrínseca do material da matriz no crescimento de vazios e na coalescência sob uma variedade de estados de tensão. Ao contrário da teoria clássica dos elementos finitos, Usman et al.16 investigaram o efeito da forma do vazio nos micromecanismos de crescimento do vazio usando simulações de plasticidade de deslocamento discreto e usando o método de elementos finitos estendidos (XFEM) para modelar descontinuidades de deslocamento.