Применение подходов физической теории пластичности при моделировании квазистатической деформации поликристаллов в динамической постановке

Автор: Романова В.А., Балохонов Р.Р., Бородина А., Шахиджанов В.С., Лычагин Д.В., Емельянова Е.С., Писарев М.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 5, 2023 года.

Бесплатный доступ

Модели физической теории пластичности кристаллов в комбинации с явным учетом зеренной структуры являются эффективным инструментом для исследования деформационных процессов в поликристаллических материалах на разных масштабных уровнях. Численное решение краевых задач с учетом морфологических особенностей микроструктуры требует значительных вычислительных ресурсов. Переход к явным схемам интегрирования по времени позволяет эффективно минимизировать вычислительные затраты, при этом обеспечивая квазистатическое решение с высокой степенью точности. В настоящей работе обсуждаются вычислительные аспекты, связанные с применением моделей физической теории пластичности при моделировании процессов квазистатического деформирования поликристаллов в динамической постановке. Приведены соотношения для описания скоростей пластических сдвигов активных систем скольжения, позволяющие эффективно исключить скоростную чувствительность, что является необходимым условием моделирования при искусственно завышенных скоростях деформации. На примере расчетов для моно- и поликристаллов алюминия обсуждаются вопросы тестирования и верификации моделей на микро-, мезо- и макроуровнях.

Еще

Физическая теория пластичности кристаллов, микромеханические модели, поликристаллы, численное моделирование, пластическая деформация

Короткий адрес: https://sciup.org/146282773

IDR: 146282773 | DOI: 10.15593/perm.mech/2023.5.06

Список литературы Применение подходов физической теории пластичности при моделировании квазистатической деформации поликристаллов в динамической постановке

Crystal plasticity finite element methods: in materials science and engineering / F. Roters [et al.]. - John Wiley & Sons, 2011. - 197 p.
Overview of constitutive laws, kinematics, homogeniza-tion and multiscale methods in crystal plasticity finite-element modeling: Theory, experiments, applications / D.D. Tjahjanto [et. al] // Acta Materialia. - 2009. - Vol. 58, № 4. - P. 1152-1211.
Трусов П.В., Волегов П.С., Кондратьев Н.С. Физические теории пластичности. - Пермь: Изд-во ПНИПУ, 2012. -273 с.
Multilevel models in physical mesomechanics of metals and alloys: results and prospects / P.V. Trusov [et al.] // Phys. Mesomech. - 2021. - Vol. 24. - P. 391-417.
Gribov D.S., Trusov P.V. Three-level dislocation-based model for describing the deformation of polycrystals: structure, implementation algorithm, examples for studying nonproportional cyclic loading // Phys. Mesomech. - 2022. - Vol. 25. - P. 557567. DOI: 10.1134/S102995992206008X
Computational crystal plasticity: from single crystal to homogenized polycrystals / G. Cailletaud [et al.] // Technische Mechanik. - 2003. - Vol. 1. - P. 130-145.
Three dimensional predictions of grain scale plasticity and grain boundaries using crystal plasticity finite element models / M. Knezevic [et al.] // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. - 2014. - Vol. 277. - P. 239-259. DOI: 10.1016/j.cma.2014.05.003
Ostapovich K.V., Trusov P.V., Yants A.Y. Prediction of crystallographic texture formation in polycrystalline samples under severe plastic deformation based on a two-level statistical elasto-viscoplastic model // Phys Mesomech. - 2021. - Vol. 24. - P. 225236. DOI: 10.1134/S1029959921030012
Microstructure-based simulations of quasistatic deformation using an explicit dynamic approach / V. Romanova [et al.] // Facta Universitatis, series: Mechanical Engineering. - 2019. -Vol. 17. - P. 243-254.
On the Solution of Quasi-Static Micro- and Meso-mechanical Problems in a Dynamic Formulation / V.A. Romanova [et al.] // Phys. Mesomech. - 2019. - Vol. 22. - P. 296-306.
Harewood F.J., McHugh P.E., Comparison of the implicit and explicit finite element methods using crystal plasticity // Comput Mater Sci. - 2007. - Vol. 39. - P. 481-494. DOI: 10.1016/j.commatsci.2006.08.002
Abaqus Analysis User's Guide. - Dassault Systemes, 2013.
Trusov P.V., Shveykin A.I., Yanz A.Y. Motion decomposition, frame-indifferent derivatives, and constitutive relations at large displacement gradients from the viewpoint of multilevel modeling // Phys. Mesomech. - 2017. - Vol. 20. - P. 357-376. DOI: 10.1134/S1029959917040014
Трусов П.В., Волегов П.С. Физические теории пластичности: теория и приложения к описанию неупругого деформирования материалов. Ч. 3: теории упрочнения, градиентные теории // Вестник ПНИПУ. Механика. - 2011. - Т. 3. -C. 146-197.
Busso E.P., Cailletaud G. On the selection of active slip systems in crystal plasticity // Int. J. Plast. - 2005. - Vol. 21. -P. 2212-2231.
Taylor G.I. Plastic strain in metals // Journal of the Institute of Metals. - 1938. - Vol. 62. - P. 307-324.
Bishop J.F.W., Hill R. A theoretical derivation of the plastic properties of a polycrystalline face centered metal // Phil. Mag. - 1951. - № 42. - P. 1298-1307.
Трусов П.В., Волегов П.С. Физические теории пластичности: теория и приложения к описанию неупругого деформирования материалов. Ч. 1: жесткопластические и упругопластические модели // Вестник ПНИПУ. Механика. -2011. - Т. 1. - С. 5-45.
Chaboche J.L. Time-independent constitutive theories for cyclic plasticity // Int J Plast. - 1986. - Vol. 2. - P. 149-188. DOI: 10.1016/0749-6419(86)90010-0
Трусов П.В., Волегов П.С. Физические теории пластичности: теория и приложения к описанию неупругого деформирования материалов. Ч. 2: вязкопластические и упруго-вязкопластические модели // Вестник ПНИПУ. Механика. -2011. - Т. 2. - С. 101-131.
Peirce D., Asaro R.J., Needleman A. Material rate dependence and localized deformation in crystalline solids // Acta Metallurgica. - 1983. - No. 31. - P. 1951-1976.
Arsenlis A., Parks D.M. Modeling the evolution of crys-tallographic dislocation density in crystal plasticity // J. Mech. Phys. Solids. - 2002. - Vol. 50, no. 9. - P. 1979-2009.
Ma A., Roters F. A constitutive model for fcc single crystals based on dislocation densities and its application to uniaxial compression of aluminium single crystals // Acta Materialia. -2004. - Vol. 52, no. 12. - P. 3603-3612.
Ma A., Roters F., Raabe D. A dislocation density based constitutive model for crystal plasticity FEM including geometrically necessary dislocations // Acta Mater. - 2006. - Vol. 54. - P. 2169-2179.
Evers L.P., Brekelmans W.A.M., Geers M.G.D. Non-local crystal plasticity model with intrinsic SSD and GND effects // J. Mech. Phys. Solids. - 2004. - Vol. 52, no. 10. - P. 2379-2401.
Hollenstein M., Jabareen M., Rubin M.B. Modeling a smooth elastic-inelastic transition with a strongly objective numerical integrator needing no iteration // Comput Mech. - 2013. -Vol. 52. - P. 649-667. DOI: 10.1007/s00466-013-0838-7
Forest S., Rubin M.B. A rate-independent crystal plasticity model with a smooth elastic-plastic transition and no slip indeterminacy // European J. Mech. - A Solids. - 2016. - Vol. 55. -P. 278-288. DOI: 10.1016/j.euromechsol.2015.08.012
Crystal plasticity modeling of the cyclic behavior of pol-ycrystalline aggregates under non-symmetric uniaxial loading: Global and local analyses / H. Farooq [et al.] // Int J Plast. -2020. - Vol. 126. - P. 102619. DOI: 10.1016/j.ijplas.2019.10.007
Романова В.А., Балохонов Р.Р., Карпенко Н.И. Моделирование механического поведения материалов с учетом трехмерной внутренней структуры // Физ. мезомех. - 2004. -Т. 7. - С. 71-79.
Romanova V., Balokhonov R. A method of step-by-step packing and its application in generating 3D microstructures of polycrystalline and composite materials // Engineering with Computers. - 2021. - Vol. 37. - P. 241-250.
Mecking H., Kocks U.F. Kinetics of flow and strain-hardening // Acta Metallurgica. - 1981. - Vol. 29. - P. 1865-1875. DOI: 10.1016/0001-6160(81)90112-7
Armstrong R.W. Dislocation and Grain Size Roles in Physical Mesomechanics. // Phys. Mesomech. - 2021. - Vol. 24. -P. 418-425. DOI: 10.1134/S1029959921040068
Теплякова Л.А., Лычагин Д.В., Беспалова И.В. Закономерности макролокализации деформации в монокристаллах алюминия с ориентацией оси сжатия [110] // Физ. мезомех. -2004. - Т. 7, № 6. - С. 63-78.
Mechanical Aspects of Nonhomogeneous Deformation of Aluminum Single Crystals under Compression along [100] and [110] Directions / V. Romanova [et al.] // Metals. - 2022. -Vol. 12. DOI: 10.3390/met12030397
Поверхностные слои и внутренние границы раздела в гетерогенных материалах под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2006.
Evolution of Mesoscopic Deformation-Induced Surface Roughness and Local Strains in Tensile Polycrystalline Aluminum / V.A. Romanova [et al.] // Phys. Mesomech. - 2021. - Vol. 24. -P. 570-577. DOI: 10.1134/S1029959921050088
Early Prediction of Macroscale Plastic Strain Localization in Titanium from Observation of Mesoscale Surface Roughening / V. Romanova [et al.] // Int J Mech Sci. - 2019. - Vol. 161162. - P. 105047.
On the definition of RVE size in simulations of mesoscale deformation-induced surface roughening in polycrystals / R. Balokhonov, E. Emelianova, M. Pisarev, O. Zinovieva, V. Sha-khidjanov // Procedía Structural Integrity. - 2021. DOI: 10.1016/j.prostr.2021.03.010
Evaluation of finite element based analysis of 3D multicrystalline aggregates plasticity. Application to crystal plasticity model identification and the study of stress and strain fields near grain boundaries / O. Diard [et al.] // Int J Plast. - 2005. -Vol. 21. - P. 691-722.
Intergranular and intragranular behavior of polycrystal-line aggregates. Part 1: F.E. model / F. Barbe [et al.] // Int J Plast. -2001. - Vol. 17. - P. 513-536.
Peirce D., Asaro R.J., Needleman A. An analysis of nonuniform and localized deformation in ductile single crystals // Acta Metallurgica. - 1982. - No. 30. - P. 1087-1119.

Еще

Статья научная