Экстремальные кластеры зерен в случайных микроструктурах поликристаллических материалов
Автор: Ташкинов А.А., Шавшуков В.Е.
Статья в выпуске: 2, 2021 года.
Бесплатный доступ
Экспериментально было обнаружено, что в поликристаллических материалах при низких макронагрузках первые очаги повреждений или первых пластических сдвигов возникают в специфических кластерах из нескольких зерен, названных экстремальными кластерами. В некоторых зернах этих экстремальных кластеров локальные (мезо-) деформации и напряжения существенно выше макродеформаций и напряжений, настолько, чтобы вызвать первые локальные хрупкие повреждения или пластические скольжения. В стохастической микроструктуре поликристалла образование экстремальных кластеров является случайным и редким событием. Тем не менее эти кластеры определяют инициирование процессов разрушения и могут серьезно повлиять на надежность поликристаллических деталей машин. Экспериментально наблюдаемые кластеры состоят из нескольких (3-4) предпочтительно ориентированных соседних зерен или даже из одного большого суперзерна. Всплески локальных деформаций и напряжений обусловливаются упругим взаимодействием зерен. Можно ожидать, что в больших кластерах, состоящих из большего числа взаимодействующих зерен, могут генерироваться более высокие всплески локальных полей. Экспериментальный поиск возможных паттернов и исследование экстремальных кластеров на реальных образцах поликристаллических материалов требует больших затрат времени и ресурсов. Поэтому желателен эффективный теоретический инструмент. В работе представлен производительный вычислительный метод поиска случайно образующихся экстремальных кластеров, исследования их возможных паттернов и оценки абсолютных максимумов локальных деформаций/напряжений, которые могут быть достигнуты в этих кластерах. Метод основан на теоретико-полевом подходе к проблеме деформирования поликристаллов, дающем значительные вычислительные преимущества. Мы нашли типичные формы экстремальных кластеров (малых и больших) в четырех различных поликристаллах с зернами слабой и сильной анизотропии для случая одноосного растяжения. Во всех рассмотренных случаях экстремальные кластеры имеют форму симметричных паттернов. В кластерах сильно анизотропных зерен максимум мезодеформации в несколько раз превышает макродеформацию. В кластерах слабо анизотропных зерен концентрация локальной деформации довольно умеренная (десятки процентов).
Поликристаллы, случайные микроструктуры, экстремальные мезодеформации, кластеры зерен
Короткий адрес: https://sciup.org/146282046
IDR: 146282046 | DOI: 10.15593/perm.mech/2021.2.14
Список литературы Экстремальные кластеры зерен в случайных микроструктурах поликристаллических материалов
- Miao J., Pollock T.M., Jones J. Microstructural extremes and the transition from fatigue crack initiation to small crack growth in a polycrystalline nickel-base superalloy // Acta Mater. -2012. - Vol. 60. - P. 2840-2854.
- Abdolvand H., Wright J., Wilkinson A.J. 2018 Strong grain neighbour effects in polycrystals // Nature. Commun. -2018. - Vol. 9, no 171. - P. 1-11.
- Oja M., Chandran K.S.R., Tyron R.J.2010 Orientation Imaging Microscopy of Fatigue Crack Formation in Waspaloy: Crystallographic conditions for crack nucleation // Int. J. Fatigue. -2010. - Vol. 32. - P. 551-556.
- Birosca S. The deformation behaviour of hard and soft grains in RR1000 nickel-based superalloy // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. - 2015. - Vol. 82. - P. 012033
- Zimmermann M. Diversity of damage evolution during cyclic loading at very high numbers of cycles // Int. Mater. Rev. -2012. - Vol. 57. - P. 73-91.
- In situ observation of collective grain-scale mechanics in Mg and Mg-rare earth alloys / F. Wang, S. Sandlobes, M. Diehl, L. Sharma, F. Roters, D. Raabe // Acta Mater. - 2014. - Vol. 80. - P. 77-93.
- Winther G. and Oddershede J. Intragranular orientation spread induced by grain interaction // TMS 145th Annual Meeting & Exhibition (Nashville, United States). - 2016.
- Pollock T. Alloy design for aircraft engines // Nature Mater. - 2016. - Vol. 15. - P. 809-815.
- Guilhem Y., Basseville S., Curtit F., Stephan J.-M., Cailletaud G. Investigation of the effect of grain clusters on fatigue crack initiation in polycrystals // Int. J. Fatigue. - 2010. -Vol. 32. - P. 1748-1763.
- Dunne F.P.E., Walker A., Rugg D. A systematic study of hcp crystal orientation and morphology effects in polycrystal deformation and fatigue // Proc. R. Soc. A Math. Phys. Eng. Sci. -2007. - Vol. 463. - P. 1467-1489.
- Investigation of three-dimensional aspects of grain-scale plastic surface deformation of an aluminum oligocrystal / Z. Zhao, M. Ramesh, D. Raabe, A.M. Cuitin, R. Radovitzky // Int. J. Plast. - 2008. - Vol. 24. - P. 2278-2297.
- Davidson D.L. The effect of a cluster of similary oriented grains (a supergrain) on fatigue crack initiation characteristics of clean materials // VHCF-4. TMS (The Minerals, Metals & Materials Society). - 2007
- Oddershede J. Measuring Grain Resolved Stresses during in situ Plastic Deformation using 3DXRD // International Symposium on Plasticity 2012 and Its Current Applications (San Juan, Puerto Rico). - 2012.
- Intragranular three-dimensional stress tensor fields in plastically deformed polycrystals / Y. Hayashi, D. Setoyama, Y. Hirose, T. Yoshida, H. Kimura // Science. - 2019. - Vol. 366. -P. 1492-1496.
- In-situ grain resolved stress characterization during damage initiation in Cu-10%W alloy / R. Pokharel, R.A. Lebensohn, D.C. Pagan [et al.] // JOM. - 2020. - Vol. 72. - P. 48-56.
- Juul N.Y., Oddershede J., Winther G. Analysis of Grain-Resolved Data from Three-Dimensional X-Ray Diffraction Microscopy in the Elastic and Plastic Regimes // JOM. - 2020. -Vol. 72. - P. 83-90 .
- Woo W., Ohnuma M., Wang X.-L. Engineering Application Neutron Scattering - Applications in Biology, Chemistry, and Materials Science (Experimental Methods in the Physical Sciences Vol. 49) - Chapter 12 / ed. Felix Fernandez-Alonso, David L. Price. - Cambridge, MA: Academic Press, 2017. - P. 739-753.
- Benedetti I., Barbe F. Modelling Polycrystalline Materials: An Overview of Three-Dimensional Grain-Scale Mechanical Models // Journal of Multiscale Modelling. - 2013. -Vol. 5. - P. 1350002.
- Microstructure-based Description of the Deformation of Metals: Theory and Application / D. Helm, F. Buta, D. Raabe, P. Gumbsch // JOM. - 2011. - Vol. 63. - P. 26-32.
- Shavshukov V.E. and Tashkinov A.A. 2016 Quantum Field Theory Approach to Mechanics of Polycrystals // Solid State Phenomena. - 2016. - Vol. 243. - P. 131-138. DOI: 10.4028/www.scietific.net/SSP.243.131
- Mura T. Micromechanics of Defects in Solids. - 2nd ed. - Dordrecht: Nijhoff, 1987. - 587 p.
- DeWit R. Continuum theory of stationary dislocations // Solid State Phys.- 2010. - Vol. 10. - P. 249-292.
- Tashkinov A.A., Shavshukov V.E. Inhomogeneities in grains of polycrystalline materials and Eshelby problem // PNRPU Mechanics Bulletin. - 2018. - No. 1. - P. 58-72.
- Stochasticity in materials structure, properties, and processing - A review / R. Hull [et al.] // Applied Physics Reviews. - 2018. - Vol. 5. - P. 1-28. DOI: 10.1063/1.4998144
- Шермергор Т.Д. Теория упругости микронеоднородных сред. - М.: Наука, 1977. -400 с.
- Pan E., Chen W. Static Green's Functions in Anisotropic Media. - Cambridge University Press, New York, 2015. - 337 p.
- Xie L., Hwu C., Zhang C. Advanced methods for calculating Green's function and its derivatives for three-dimensional anisotropic elastic solids // Int. J. Sol. Struct. -2016. - Vol. 80. - P. 261-273. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2015.11.012
- Ташкинов А.А., Шавшуков В.Е. Решение задач механики деформирования поликристаллических материалов на основе теории возмущений // Вычислительная механика сплошных сред. - 2016. - Т. 9, № 4. - С. 486-497. D01:10.7242/1999-6691/2016.9.4.4
- Богачев И.Н., Вайнштейн А.А., Волков С.Д. Статистическое металловедение. - М.: Металлургия, 1984. - 176 с.
- Францевич И.Н., Воронов Ф.Ф., Бакута С.А. Упругие постоянные и модули упругости металлов и неметаллов. -Киев: Наукова думка, 1982. - 288 с.
- CRC Handbook of Chemistry and Physics, ed. David R. Lide. - CRC Press LLC, 2004. - 2475 p.
