Nanoscale crack propagation in clay with water adsorption through reactive MD modeling

材料科学 断裂力学 吸附 开裂 复合材料 分子动力学 临界半径 化学物理 曲率 计算化学 化学 物理化学 几何学 数学
作者
Zhe Zhang,Xiaoyu Song
出处
期刊:International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics [Wiley]
卷期号:47 (7): 1103-1133 被引量:4
标识
DOI:10.1002/nag.3507
摘要

Abstract The atomic‐scale cracking mechanism in clay is vital in discovering the cracking mechanism of clay at the continuum scale in that clay is a nanomaterial. In this article, we investigate mechanisms of modes I and II crack propagations in pyrophyllite and Ca‐montmorillonite with water adsorption through reactive molecular dynamics (MD) with a bond‐order force field. Clay water adsorption is considered by adding water molecules to the clay surface. During the equilibration stage, water adsorption could cause bending deformation of the predefined edge crack region. The relatively small orientating angle of water molecules indicates the formation of hydrogen bonds in the crack propagation process. The peak number density of adsorbed water decreases with the increasing strains. The atomistic structure evolution of the crack tip under loading is analyzed to interpret the nanoscale crack propagation mechanism. The numerical results show that the crack tip first gets blunted with a significant increase in the radius of the curvature of the crack tip and a slight change in crack length. The crack tip blunting is studied by tracking the crack tip opening distance and O–Si–O angle in the tetrahedral Si–O cell in modes I and II cracks. We compare bond‐breaking behaviors between Al–O and Si–O. It is found that Si–O bond breaking is primarily responsible for crack propagation. The critical stress intensity factor and critical energy release rate are determined from MD simulation results.

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