Computational micromechanical analysis of metal ceramic composites

Low chemical affinity and complex production process can prevent an adequate coupling between the components of metal ceramic composites. Thus, imperfect geometries and interfaces can compromise the overall performances of these advanced materials. The mechanical problem has been analyzed in the extreme conditions of perfect adhesion and pure friction between the matrix and the reinforcement of composites with periodic microstructures evidencing the different load transfer mechanisms. The results of this study performed in small strain regime evidence the sensitiveness to poor friction in a situation where the overall response of the composite appears to be linear. In fact, the nonlinearity detected in the simulation will be hardly evidenced by experiments and is prone to be confused with an initial settlement of the investigated material sample. Localized damage and debonding processes induced by the growth and coalescence of micro-voids in the metal phase have been also analyzed by the widely employed Gurson Tvergaard Needleman (GTN) damage plasticity model. The study was carried out in order to distinguish the effect of the material microstructure on the overall material response. The results of this investigation show that the macroscopic response of the analyzed MMCs is almost insensitive to volume fraction. The fibre arrangement mainly influences the apparent ductility of the material induced by plastic strain localization. The study considered both periodic and quasi-periodic fibre arrangement in the unit cell. The considered GTN model involves nine material constants. The value of each parameter depends on the production process of the composite. Therefore, no direct approach allows to determine the actual metal properties. A sensitivity study has been further performed to evidence the local mechanical characteristics, which can be potentially determined by indirect calibration procedures. An approximate analytical model of Proper Orthogonal Decomposition (POD) coupled with interpolation by Radial Basis Functions (RBFs) has been developed for its possible use in inverse analysis. The efficacy of this approach has been verified with some combination of GTN material parameters, to predict the material response including the plastic deformation with reasonable accuracy in short computational time. Finally, the role of interfaces on the failure mechanism of a real composite has been investigated. The analyzed problem has been considered under micromechanical bending of a material sample with perfect bonding condition. It is found that the real failure mode of the sample cannot be captured in this hypothesis.

Il corretto accoppiamento tra le componenti di compositi metallo-ceramici (MMC) può essere ostacolato da una bassa affinità chimica e dal complesso processo di produzione. Imperfezioni nelle geometrie del rinforzo e nelle caratteristiche delle interfacce possono altresì compromettere le prestazioni globali di questi materiali avanzati. Il problema meccanico è stato inizialmente analizzato nelle condizioni limite di perfetta adesione e di puro attrito tra le componenti di compositi con microstrutture periodiche, con l’intento di evidenziare i differenti meccanismi di trasferimento dei carichi. I risultati di questo studio, condotto in ipotesi di piccole deformazioni, mostrano la marcata sensibilità al coefficiente di attrito in situazioni dove la risposta globale del composito sembra lineare. Peraltro, la non-linearità evidenziata dalla simulazione non è tale da essere facilmente individuata negli esperimenti, dove potrà essere piuttosto confusa con un cedimento iniziale del campione di materiale sottoposto a prova. Sono stati poi analizzati i processi di localizzazione del danneggiamento e di distacco dal rinforzo indotti dalla crescita e dalla coalescenza dei micro-vuoti esistenti nella matrice metallica. Questi fenomeni sono stati descritti secondo il modello di plasticità con danno proposto da Gurson, Tvergaard e Needleman (GTN). Lo studio considera la presenza di fibre distribuite in modo periodico e quasi-periodico, allo scopo di distinguere l’effetto della microstruttura sulla risposta globale del materiale. Peraltro, i risultati di questa indagine mostrano come la risposta macroscopica dei MMC analizzati sia piuttosto insensibile alla percentuale volumetrica dei componenti. La distribuzione delle fibre influenza principalmente la duttilità apparente del materiale, indotta dalla localizzazione delle deformazioni plastiche. Il modello GTN coinvolge nove parametri costitutivi del materiale, il cui valore dipende dal processo di produzione del composito. Solitamente, queste caratteristiche non possono essere determinate mediante un approccio sperimentale diretto. E’ stata quindi condotta un’analisi di sensibilità per individuare le caratteristiche meccaniche locali che possono essere calibrate attraverso procedure di analisi inversa. E’ stato inoltre sviluppato un modello analitico approssimato del comportamento del materiale, usando tecniche di ‘Proper Orthogonal Decomposition’ (POD) e di interpolazione attraverso ‘Radial Basis Functions’ (RBFs). L’efficacia di questo approccio nel predire la risposta del materiale, inclusa la distribuzione delle deformazioni plastiche, con un’accuratezza e in tempi di calcolo ragionevoli, è stata verificata su diverse combinazioni di parametri del modello GTN. Infine, è stato studiato il ruolo delle interfacce sul meccanismo di rottura di un composito reale. Il problema analizzato considera l’effetto su scala microscopica indotto da una sollecitazione di flessione. Si mostra come il reale meccanismo di rottura del campione di materiale analizzato non possa essere colto in condizioni di perfetta adesione.