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引文格式：
Kandekar C, Ravikumar A , Hche D ,et al. Mastering the complex time-scale interaction during Stress Corrosion Cracking phenomena through an advanced coupling scheme[J]. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2024, 428: 117101.
Kandekar, Chaitanya, et al. "Mastering the complex time-scale interaction during Stress Corrosion Cracking phenomena through an advanced coupling scheme." Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 428 (2024): 117101.
Kandekar, C., Ravikumar, A., Höche, D., & Weber, W. E. (2024). Mastering the complex time-scale interaction during Stress Corrosion Cracking phenomena through an advanced coupling scheme. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 428, 117101.
背景简介
应力腐蚀开裂（Stress Corrosion Cracking，SCC）是一种危险的多物理现象，通常发生在材料暴露于腐蚀环境并同时承受机械载荷时。SCC的破坏往往非常严重，可能导致结构性失效甚至灾难性后果。在微观结构层面，SCC的发生涉及机械、化学和电化学过程的复杂耦合。由于腐蚀是一个缓慢的过程，而脆性断裂是一种快速的破坏机制，因此在模拟SCC时，模型需要能够处理时间和空间上的不同尺度。该文献提出了一个多物理场计算方法，通过分离的物理求解器进行耦合，能够准确模拟SCC的发生和裂纹扩展，考虑了力学破坏和腐蚀引发的局部点蚀以及微观结构各向异性的影响。这种方法旨在有效捕捉不同时间和空间尺度下的耦合现象，以更准确地模拟SCC的发生及其对材料性能的影响。
成果介绍
（1）提出了基于相场模型的应力腐蚀裂纹耦合框架。该框架采用相场模型处理材料中的腐蚀和机械应力，并通过开源库preCICE耦合两个独立的物理求解器。力学求解器模拟各向异性材料的弹性变形，而腐蚀求解器则模拟阳极溶解过程。通过分离时间步长的子循环，确保了模拟过程中时间和空间尺度的精确处理（如图1）。该框架允许机械求解器和腐蚀求解器在不同的时间步长和网格上独立运行，并通过耦合库实现数据交换。这种灵活性提高了模拟效率，尤其在复杂多晶材料的模拟中，确保了计算精度。
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图1 时间步长中的子循环
（2）晶界附近的损伤发展。通过数值模拟发现在晶界附近和高应力区域发生了损伤的起始。这些损伤的初始条件是通过在模拟中设定的扩散系数场和晶粒取向角来实现的（如图2），这些区域的高扩散系数使得腐蚀前沿扩展更快。在模拟过程中，这些损伤最初表现为在晶界附近和高应力区域的小蓝点，随着时间的推移，损伤沿着优选方向扩展，并逐渐向初始腐蚀坑靠拢（如图3b）。这一现象与各向异性损伤模型的预测结果相一致，进一步表明应力腐蚀裂纹的发展在晶界和高应力区域更加显著。
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图2 边界值问题设置：(a) 扩散系数场；(b) 0 至 360°的取向角（随机生成）
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图3 在时间（a）60s和（b）78s的应力腐蚀开裂的逐步演变：（a，b）相场 φ；（c，d）机械自由能 Hn 的相应历史项， ud = 1.0 × 10⁻³ mm，ξ = 2，L0 = 0.01 mm²/(N s)，Dgb/Dcore = 10 和裂解面取向为 N = [1/√2, 1/√2]。红色：未损伤的固体材料；蓝色：损伤材料（腐蚀或裂纹导致的）
（3）机械应力和溶解速率对裂纹路径的影响。通过对不同应力和溶解速率条件的模拟，研究了机械应力和溶解速率对裂纹路径的影响。在高应力条件下，施加均匀位移至ud = 1.25 × 10−3 mm，裂纹路径呈现出晶间应力腐蚀裂纹和穿晶应力腐蚀裂纹的特征，裂纹形态更为尖锐，最初沿晶界扩展，随后穿透晶粒核心形成穿晶SCC，裂纹生长速度明显加快（如图4）。在低应力和低溶解速率条件下，施加的均匀位移为ud = 1.0 × 10−3 mm，界面动力学系数降低至L0 = 0.01 mm²/(N·s)，结果显示裂纹生长速度减慢，腐蚀坑扩展延迟，裂纹路径的演化也相对缓慢（如图5）。
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图4 相场φ在时间 (a) 120 s和 (b) 190 s的演化。施加位移ud=1.25×10-3mm，参数ζ=1，界面动力学 L0=0.1mm2/(N·s)，晶界扩散比Dgb/Dcore=5，裂纹面方向为N[1, 0]
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图5 相场φ在时间 (a) 100s和 (b) 140s 的演化。施加位移ud=1.0×10-3mm，参数ζ=1，界面动力学 L0=0.01mm2/(N·s)，晶界扩散比Dgb/Dcore=10，裂纹面方向为N[1, 0]
（4）本研究进一步扩展了三维多晶材料中的应力腐蚀裂纹模拟。在三维模型中，考虑了晶粒的随机取向角和晶界扩散特性（如图6），模拟了复杂的应力场下裂纹的生成与扩展过程。数值实验表明（如图7），通过改变晶粒的取向角度，损伤扩展路径会根据晶粒的各向异性特性而变化。在三维条件下，腐蚀坑呈现出不对称和深层次的形态，其裂纹扩展路径受晶粒取向角和晶界特性的显著影响。
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图6 三维边界值问题设置：(a)L=0.1mm 的三维几何；(b)0~360°之间的一个方向角（随机分配）；(c)扩散系数场
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图7 应力腐蚀开裂的逐步演变，0s（左列）、300s（中列）和440s（右列），包括截面视图和相应的3D腐蚀坑生长：(a)-(f)各向同性；(g) -(l)各向异性
致谢
本研究工作得到了 "KIBIDZ - Intelligente Brandgefahrenanalyse für Gebäude und Schutz der Rettungskräfte durch Künstliche Intelligenz und Digitale Brandgebäudezwillinge "项目和 "hpc.bw "项目的资助，后者提供了计算资源（HPC 集群 HSUper），这两个项目均由德国联邦国防军数字化与技术研究中心 dtec.bw 资助。本文第一作者Chaitanya Kandekar（University of the Federal Armed Forces Hamburg），通讯作者Wolfgang E. Weber（University of the Federal Armed Forces Hamburg）。
本期小编 高 欣（整理）
姚辰霖（校对）
王康康（审核）
董乃健（发布）
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