Micromechanical model for comminution and granular flow of brittle material under high strain rate application to penetration of ceramic targets

Curran, D. R.; Seaman, L.; Cooper, Thomas; Shockey, D. A.

doi:10.1016/0734-743x(93)90108-j

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“…Contrariamente a otros modelos teóricos, las simulaciones a meso-escala del modelo de Maiti et al [32] incorporan el tamaño de grano medio como un parámetro adicional de modelado y asumen que el proceso de fractura tiene lugar de forma inter-granular. En el régimen de alta velocidad, donde la energía cinética domina y una gran cantidad de grietas son simultáneamente activadas dando lugar a una casi instantánea fragmentación de la muestra, Maiti et al [32] obtuvieron un valor de n ≈ -0,45, mientras que el modelo de Drugan [31] predice una similar relación con n= -0,4264 Este tipo de relación de tipo potencial ha sido observada también por Curran y Seaman [45] en su modelo numérico basado en micro-mecánica con valores de n de -0,3 a -0,6. A su vez Paliwal y Ramesh [46] también incluyeron un parámetro que captura la sensibilidad de la evolución del deterioro a las características de la distribución de fisuras en el material cerámico.…”

Section: Mecanismos De Fractura a Alta Velocidad De Deformación Análunclassified

Análisis de la fragmentación de cermets de alúmina–níquel ensayados en Barra Hopkinson a altas velocidades de deformación

Orgaz¹,

Lecue²,

Herencia³

et al. 2014

Bol. Soc. Esp. Ceram. Vidr.

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El potencial de los materiales de alta alúmina en el campo de la ingeniería es de gran importancia debido a su inercia, alta disponibilidad y su gran resistencia eléctrica y química. Sin embargo, la fragilidad de alúmina limita mucho sus aplicaciones. Uno de los enfoques más prometedores para la mejora de las propiedades mecánicas de los materiales cerámicos son los "cermets" consistentes en incorporar una segunda fase metálica como refuerzo en una matriz cerámica. Una gran variedad de materiales compuestos cerámicos con fases dispersas metálicas se han preparado, sin embargo el sistema Al 2 O 3 -Ni ha sido uno de los más estudiados [1][2][3] debido principalmente a sus posibilidades de alta resistencia a la corrosión y a la oxidación a alta temperatura combinada con una alta resistencia al desgaste y una alta tenacidad a temperatura ambiente. La inclusión de una fase dúctil en una matriz de alúmina rígida mejora el comportamiento mecánico estático a través de la desviación por puenteo o por enroramiento de grieta. Para lograr un refuerzo eficiente, se requiere sin embargo un alto nivel de dispersión de la fase dúctil en la matriz para lograr una alta densidad relativa. Los materiales compuestos de alúmina-níquel se han preparado por varios métodos, incluyendo el procesamiento por sol-gel [4][5], sinterización sin presión, [6][7], la reducción de NiAl 2 O 4 [8], el prensado en caliente reactivo [9-10] o la reacción de En este trabajo, se presenta un estudio comparativo de la influencia de la velocidad de deformación sobre el comportamiento mecánico a la fragmentación de materiales compuestos de una matriz de alúmina con níquel metálico disperso cuando son sometidos a elevadas velocidades de deformación. La fragmentación bajo cargas dinámicas de compresión a alta velocidad se ha realizado mediante una Barra Hopkinson (SHPB). Se ensayaron materiales compuestos de alúmina-níquel con contenidos en metal de hasta el 50 vol. %, los cuales fueron procesados coloidalmente a partir de suspensiones acuosas coladas sobre moldes porosos de alúmina. Las muestras se pre-trataron térmicamente para lograr una interfase de unión eficaz y se sinterizaron posteriormente bajo un flujo inerte de atmósfera de argón. Para cada ensayo de fragmentación dinámica se determinaba la correspondiente velocidad de deformación. Las distribuciones estadísticas de tamaños de fragmentos producidos en el impacto con la barra de Hopkinson se determinaron por métodos de tamizado y sus resultados fueron analizados de acuerdo con la función de distribución estadística de Weibull y con el modelo exponencial de Rosin y Rammler. El efecto de la velocidad de deformación sobre el tamaño medio de fragmento se analizó utilizando los modelos de energía existentes. Finalmente, se analizaron los mecanismos de rotura involucrados. Palabras clave: Metal cerámicos, alúmina-níquel, estadística, fragmentación, Barra Hopkinson Fragmentation analysis of alumina-nickel cermets subjected to Hopkinson bar tests at high strain ratesA comparative study of the influence of t...

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Section: Mecanismos De Fractura a Alta Velocidad De Deformación Análunclassified

Análisis de la fragmentación de cermets de alúmina–níquel ensayados en Barra Hopkinson a altas velocidades de deformación

Orgaz¹,

Lecue²,

Herencia³

et al. 2014

Bol. Soc. Esp. Ceram. Vidr.

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“…This avoids the overestimation of the dilatant effect of the frag mented ceramic material due to the inelastic deformations [37]. The decrease in the slope of the yield cone in the Haigh Westerg aard stress space due to the increased damage also includes the de crease in the dilatant behavior as the ceramic material is being fragmented.…”

Section: Fdx: ð1þmentioning

confidence: 99%

“…To describe the inelastic behavior of ceramic, the model takes into account the progressive fragmentation of a monolithic intact cera mic material by means of a scalar damage ceramics under dynamic loading also propose r 1 as the variable driving fragmentation [37,38]. The maximum principal stress r 1 can be determined by the closed form expression…”

Section: Fdx: ð1þmentioning

confidence: 99%

A constitutive equation for ceramic materials used in lightweight armors

Fernández-Fdz

Zaera

Fernández-Sáez

2011

Computers & Structures

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a b s t r a c tA constitutive model to simulate the behavior of ceramic materials under impact loading is proposed in order to achieve a better representation of the damage process due to the material fragmentation. To integrate the proposed constitutive equations, a semi implicit algorithm (implicit for the stresses and explicit for the damage variable) has been developed, leading to the generalized expressions of the clas sical return mapping algorithm. The model was implemented in a commercial finite element code and its performance was demonstrated by comparing its predictions with experimental results obtained by other authors.

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“…Boundary conditions provide a shear strain rate of 5 10 /s γ = , with a uniform initial velocity gradient prescribed. In some simulations, all faces are free to expand laterally to accommodate dilatation; in others, the face on which the shear traction is applied is prohibited from expanding, thereby increasing the confining pressure that resists dilatation and impedes shear [2][3][4]. The former conditions are labeled "free"; the latter are labeled "confined."…”

Section: Numerical Simulationsmentioning

confidence: 99%

“…Properties of importance in the ballistic loading regime include hardness, elastic stiffness, fracture toughness, unconfined compressive strength, dynamic shear strength, and failure probabilities [1][2][3][4][5][6]. The present work investigates two ceramic materials: silicon carbide (SiC) and aluminum oxynitride (AlON).…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Dynamic compressibility, shear strength, and fracture behavior of ceramic microstructures predicted from mesoscale models

Clayton

Leavy

Kraft

2012

AIP Conference Proceedings

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Abstract. Fundamental understanding of dynamic behavior of polycrystalline ceramics is advanced through constitutive theory development and computational modeling. At the mesoscale, microstructures of silicon carbide grains (hexagonal crystal structure) or aluminum oxynitride grains (cubic crystal structure) are subjected to compression or shear at high rates with varying confining pressure. Each grain is resolved by numerous three-dimensional finite elements, and behavior of each grain is modeled using nonlinear anisotropic elasticity. Cohesive fracture models and post-fracture contact are included. Normal and Weibull failure statistics from many simulations are collected and analyzed. Results demonstrate effects of load directionality, confinement, dilatation, elastic anisotropy and elastic nonlinearity, and grain boundary fracture properties on macroscopic (average) failure stresses for loading conditions in the ballistic regime. Predictions demonstrate reasonable agreement with data from macroscopic plate impact, unconfined compression, and flexure experiments.

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Micromechanical model for comminution and granular flow of brittle material under high strain rate application to penetration of ceramic targets

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Análisis de la fragmentación de cermets de alúmina–níquel ensayados en Barra Hopkinson a altas velocidades de deformación

Análisis de la fragmentación de cermets de alúmina–níquel ensayados en Barra Hopkinson a altas velocidades de deformación

A constitutive equation for ceramic materials used in lightweight armors

Dynamic compressibility, shear strength, and fracture behavior of ceramic microstructures predicted from mesoscale models

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