Многоуровневые модели пластичности многофазных поликристаллических материалов, основанные на физических теориях пластичности и вязкопластичности

Аннотация


В настоящее время актуальной является проблема моделирования процессов неупругого деформирования поликристаллических материалов с учетом микроструктуры, реально действующих физических механизмов и их носителей. Вследствие этого широкое распространение получил физический подход, основанный на явном введении в математическую модель переменных, отвечающих за указанные механизмы. Для описания последних, как правило, существует необходимость введения в рассмотрение более глубоких масштабных уровней, чем макроскопический, поэтому такой тип моделей можно отнести к многоуровневым. Классификационными признаками в многоуровневых моделях, основанных на физических теориях пластичности, могут быть гипотеза связи соседних масштабных уровней, число вовлекаемых в рассмотрение масштабных уровней и физическая модель, положенная в основу низшего уровня. В силу значительной универсальности, основанной на использовании физических законов мезо- и микроуровня, данный класс моделей применяется для анализа широкого класса материалов и процессов, и сфера их применения постоянно увеличивается. К числу как хорошо известных, так и недавно разработанных и внедренных в производство можно отнести многофазные материалы, среди которых наибольшее распространение получили стальные и титановые сплавы. Анализ их мезо- и микроструктуры показывает зависимость отклика материала на макроуровне от ее текущего состояния. Особенностью таких материалов является высокая степень неоднородности полей напряжений и деформаций, возникающая вследствие физической неоднородности отдельных фаз поликристалла. В настоящей работе приводится краткий обзор многоуровневых моделей теорий пластичности, основанных на явном рассмотрении носителей и механизмов неупругого деформирования. В обзоре рассматриваются различные аспекты применения существующих модификаций многоуровневых физических моделей для описания поведения многофазных материалов, получивших широкое распространение в промышленности. Особое внимание уделяется критическому анализу приводимых моделей.

Об авторах

Н С Кондратьев

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

П В Трусов

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Список литературы

  1. Линь Т.Г. Физическая теория пластичности // Проблемы теории пластичности. Сер. Новое в зарубежной механике. Вып. 7. - М.: Мир, 1976. - С. 7-68.
  2. Панин В.Е., Гриняев Ю.В. Физическая мезомеханика - новая парадигма на стыке физики и механики // Физическая мезомеханика. - 2003. - Т. 6, № 4. - С. 9-36.
  3. Трусов П.В., Ашихмин В.Н., Швейкин А.И. Двухуровневая модель упругопластического деформирования поликристаллических материалов // Механика композиционных материалов и конструкций. - 2009. - Т. 15, № 3. - С. 327-344.
  4. 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. - № 1. - С. 5-45.
  5. Трусов П.В., Волегов П.С. Физические теории пластичности: теория и приложения к описанию неупругого деформирования материалов. Ч. 2: Вязкопластические и упруговязкопластические модели // Вестник ПНИПУ. Механика. - 2011. - № 2. - С. 101-131.
  6. 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. - № 3. - С. 146-197.
  7. Трусов П.В., Волегов П.С. Определяющие соотношения с внутренними переменными и их применение для описания упрочнения в монокристаллах // Физическая мезомеханика. - 2009. - Т. 12, № 5. - С. 65-72.
  8. Трусов П.В., Волегов П.С., Кондратьев Н.С. Физические теории пластичности - Пермь: Изд-во Пермского национального исследовательского политехнического университета, 2013. - 244 с.
  9. Трусов П.В., Швейкин А.И., Нечаева Е.С., Волегов П.С. Многоуровневые модели неупругого деформирования материалов и их применение для описания эволюции внутренней структуры // Физическая мезомеханика. -2012. - Т. 15, № 1. - С. 33-56.
  10. Трусов П.В., Швейкин А.И. Многоуровневые физические модели моно- и поликристаллов. Статистические модели // Физическая мезомеханика. - 2011. - Т. 14, № 4. - С. 17-28.
  11. Трусов П.В., Швейкин А.И. Многоуровневые физические модели моно- и поликристаллов. Прямые модели // Физическая мезомеханика. - 2011. - Т. 14, № 5. - С. 5-30.
  12. Трусов П.В., Швейкин А.И. Теория пластичности. - Пермь: Изд-во Пермского национального исследовательского политехнического университета, 2011. - 419 с.
  13. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов: в 2 т. / В.Е. Панин, В.Е. Егорушкин, П.В. Макаров [и др.]. - Новосибирск: Наука, 1995. - Т. 1. - 298 с. - Т. 2. - 320 с.
  14. Alley E.S., Neu R.W. A hybrid crystal plasticity and phase transformation model for high carbon steel // Computational Mechanics. - 2013. - Vol. 52. - Iss. 2. - P. 237-255.
  15. Al-Abbasi F.M., Nemes J.A. Micromechanical modeling of dual phase steels // International Journal of Mechanical Sciences. - 2003. - Vol. 45. - P. 1449-1465.
  16. Ankem S., Margolin H. The role of elastic interaction stresses on the onset of plastic flow for oriented two ductile phase structures // Metall. Trans. A. - Vol. 11. - P. 963-972.
  17. Ashby M.The deformation of plastically non-homogeneous alloys // Philosophical Magazine. - 1970. - Vol. 21. - P. 399-324.
  18. Bailey J.E., Hirsch P.B. The dislocation distribution, flow stress, and stored energy in cold-worked polycrystalline silver // Philos. Mag. - 1960. - Vol. 5 (53). - P. 485-497.
  19. Berecz T., Szabó P.J. Misorientation between austenite and σ-phase in duplex stainless steel // Periodicapolytechnica ser. mech. eng. - 2005. - Vol. 49. - No. 49. - P. 123-130.
  20. Hot deformation of duplex stainless steels / J.M. Cabrera, A. Mateo, L. Llanes, J.M. Prado, M. Anglada // J. Mater. Process. Tech. - 2003. - Vol. 143-144. - P. 321-325.
  21. Computational crystal plasticity: from single crystal to homogenized polycrystals / G. Cailletaud, O. Diard, F. Feyel, S. Forest // Technischemechanik. - 2003. - Vol. 23. - P. 130-145.
  22. Chen, Yang J.R. Effects of solution treatment and continuous cooling duplex stainless steel // Materials Science and Engineering A. - 2001. - Vol. A311. - P. 28-41.
  23. Cizek P., Wynne B.P., Rainforth W.M. EBSD investigation of the effect of strain path changes on the microstructure and texture of duplex stainless steel during hot deformation // Journal of Physics: Conference Series - 2006. - Vol. 26. -P. 331-334.
  24. Diercks D.R., Burke W.F. Elevated-temperature properties of austenitic stainless steels // ASME. - 1974. - P. 19-30.
  25. Eiken J., Böttger B., Steinbach I. Multiphase-field approach for multicomponent alloys with extrapolation scheme for numerical application // Physical Review - 2006. - Vol. 73. - P. 1-9.
  26. Grain and subgrain structures developed by hot working in as-cast 434 stainless steel / E. Evangelista, P. Mengucci, J. Bowles, H.J. McQueen // High Temp. Mater. Process. - 1993. - Vol. 12. - P. 57-66.
  27. Faccoli M., Roberti R. Study of hot deformation behaviour of 2205 duplex stainless steel through hot tension tests // J. Mater. Sci. - 2013. - Vol. 48. - No. 15. - P. 5196-5203.
  28. Hot deformation characteristics of 2205 duplex stainless steel based on the behavior of constituent phases / H. Farnousha, A. Momenia, K. Dehghania, J.А. Mohandesia, H. Keshmiri // Mater. Design. - 2010. - Vol. 31. - No. 1. - P. 220-226.
  29. Fleck N.A., Hutchinson J.W. Strain gradient plasticity // Adv. Appl. Mech. - 1997. - Vol. 33. - P. 295-361.
  30. Forest S. Strain gradient crystal plasticity: thermomechanical formulations and applications // Journal of the Mechanical Behaviour of Materials. - 2002. - Vol. 13. - P. 219-232.
  31. Franciosi P., Berveiller M., Zaoui A. Latent hardening in copper and aluminum single-crystals // Acta Metall. - 1980. - Vol. 28. - Iss. 3. - P. 273-283.
  32. Gardey B., Bouvier S., Bacroix B. Correlation between the macroscopic behavior and the microstructural evolutions during large plastic deformation of a dual-phase steel // Met. Mater. Trans. A. - 2005. - Vol. 36. - P. 2937-2945.
  33. Garofalo F. An empirical relation defining the stress dependence of minimum creep rate in metals // Trans. Met. Soc. AIME. - 1963. - Vol. 227. - P. 351-359.
  34. A multiscale crystal plasticity analysis of deformation in a two-phase steel / J. Gaskell, F. Dunne, D. Farrugia, J. Lin // Journal of Multiscale Modelling. - 2008. - Vol. 1. - No. 1. - P. 1-19.
  35. Germain P. La m´ethode des puissancesvirtuelles en m´ecanique des milieuxcontinus, premi`erepartie: th´eorie du second gradient // J. de M´ecanique. - 1973. - Vol. 12. - P. 235-274.
  36. Grujicic M., Batchu S. A crystal plasticity materials constitutive model for polysynthetically-twinned γ-TiAl+α2-Ti3Al single crystals // Journal of Materials Science. - 2001. - Vol. 36. - P. 2851-2863.
  37. Modeling of static recrystallization kinetics by coupling crystal plasticity fem and multiphase field calculations / O. Güvenc, T. Henke, G. Laschet, B. Böttger, M. Apel, M. Bambach, G. Hirt // Computer methods in materials science. - 2013. - Vol. 13. - No. 2. - P. 368-374.
  38. Hartig Ch., Mecking H. Finite element modelling of two phase Fe-Cu polycrystals // Computational Materials Science. - 2005. - Vol. 32. - P. 370-377.
  39. Jain M., Christmana T. Processing of submicron grain 304 stainless steel // J. Mater. Res. - 1996. - Vol. 11. - No. 11. - P. 2677-2680.
  40. An experimental analysis and modeling of the work-softening transient due to dynamic recrystallization / E.S. Puchi-Cabrera, M.H. Staia, J.D. Guérin, J. Lesage, M. Dubar, D. Chicot // International Journal of Plasticity. - 2014. - Vol. 54. - P. 113-131.
  41. Kitagawa H., Tomita Y. Note on incremental stress-strain relations of elasto-plastic materials referred to a convected coordinate systems // J. Appl. Math. Mech. - 1972. - Vol. 52 (3). - P. 183-186.
  42. Effect of aging time and temperature on mechanical properties and microstructural evolution of 2205 ferritic-austenitic stainless steel / H. Keshmi, A. Momeni, K. Dehghani, G.R. Ebrahimi, G. Heidari // Journal of Materials Science and Technology. - 2009. - Vol. 25. - P. 597-602.
  43. Kroner E. Initial studies of a plasticity theory based upon statistical mechanics // Inelastic Behaviour of Solids - 1969. - P. 137-147.
  44. Kuc D., Niewielski G. Technological plasticity and structure in stainless steels during hot-working // Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering. - 2009. - Vol. 32. - Iss. 2. - P. 154-161.
  45. Atomic-scale simulations of the interaction be-tween a moving dislocation and a bcc/fcc phase boundary / G. Lasko, D. Saraev, S. Schmauder, P. Kizler // Computational Materials Science. - 2005. - Vol. 32. - P. 418-425.
  46. Masima M., Sachs G.O. Mechanische Eigenschaften von Messingkristallen // Z. Physik. - 1928. - B. 50. - S. 161-186.
  47. Mayeur J.R., McDowell D.L. A three-dimensional crystal plasticity model for duplex Ti-6Al-4V // Int. J. Plasticity. - 2007. - Vol. 23 - P. 1457-1485.
  48. Mindlin R.D., Eshel N.N. On first strain gradient theories in linear elasticity // Int. J. Solids Structures. - 1968. - Vol. 4. - P. 109-124.
  49. Perdahcıoğlu E.S., Geijselaers H.J.M. Constitutive modeling of two phase materials using the mean field method for homogenization // International Journal of Material Forming. - 2011. - Vol. 4 (2). - P. 93-102.
  50. Perdahcıoğlu E.S., Geijselaers H.J.M. A constitutive model for multi-phase steels // AIP Conference Proceedings. - 2011. - Vol. 1315. - Iss. 1. - P. 3-9.
  51. Sachs G. Zur Ableitungeiner Fliessbedingung // Z. Verein Deut. Ing. - 1928. - В.72. - S. 734-736.
  52. Deformation mechanisms and microtensile behavior of single colony Ti-6242Si / M.F. Savage, J. Tatalovich, M. Zupan, K.J. Hemker, M.J. Mills // Mater. Sci. Eng. A. - 2001. - Vol. 319-321. - P. 398-403.
  53. Sellars C.M., Tegart W.J. La relation entre la résistance et la structure dans la deformation à chaud // Memories Scientifiques Rev. Métallurg. - 1966. - Vol. 63. - P. 731-746.
  54. Sellars C.M. Modelling microstructural development during hot rolling // Mats. Sci. Tech. - 1990. - Vol. 6. - P. 1072-1081.
  55. Shanthraj P., Zikry M.A. Dislocation density evolution and interactions in crystalline materials // Acta Mater. - 2011. - Vol. 59. - Iss. 20. - P. 7695-7702.
  56. Steinbach I., Pezzolla F. A generalized field method for multiphase transformations using interface fields // Physica D. - 1999. - Vol. 134 (4). - P. 385-393.
  57. Rajabi D., Abedi A., Ebrahimi Gh. Study on static recrystallization process in duplex stainless steel 2205 // International Journal of ISSI. - 2011. - Vol. 8. - No. 2. - P. 20-23.
  58. Overview of constitutive laws, kinematics, homogenization and multiscale methods in crystal plasticity finite-element modeling: Theory, experiments, applications / F. Roters, P. Eisenlohr, L. Hantcherli, D. Tjahjanto, T. Bieler, D. Raabe // Acta Materialia. - 2010. - Vol. 58. - P. 1152-1211.
  59. Multiscale modeling of hot-working with dynamic recrystallization by coupling microstructure evolution and macroscopic mechanical behavior / T. Takaki, C. Yoshimoto, A. Yamanaka, Y. Tomita // Int. J. Plasticity. - 2014. - Vol. 52. - P. 105-116.
  60. Elastic-plastic behaviour of dual-phase, high-strength steel under strain-path changes / V. Tarigopula, O.S. Hopperstad, M. Langseth, A.H. Clausen // European Journal of Mechanics - A/Solids. - 2008. - Vol. 27. - P. 764-782.
  61. Taylor G.I. Plastic strain in metals // J. Inst. Metals. - 1938. - Vol. 62. - P. 307-324.
  62. Taylor G.I., Elam C.F. The distortion of an aluminium crystal during a tensile test // Proc. Roy. Soc. (London). - 1923. - Ser. A 102. - P. 643-647.
  63. Taylor G.I., Elam C.F. The plastic extension and fracture of aluminium crystals // Proc. Roy. Soc. (London). - 1925. - Ser. A 108. - P. 28-51.
  64. Tinga T., Geers M.G.D., Brekelmans W.A.M. Micromechanical model of a single crystal nickel-based superalloy // 25th international congress of the aeronautical sciences. - Germany, Hamburg, 2006. - P. 1-9.
  65. Turteltaub S., Suiker A.S.J. Grain size effects in multiphase steels assisted by transformation-induced plasticity // Int. J. Solids and Structures - 2006. - Vol. 43. - P. 7322-733.
  66. Wu Q., Shanthraj P., Zikry M.A. Modeling the heterogeneous effects of retained austenite on the behavior of martensitic high strength steels // Int. J. Fracture -2013. - Vol. 184. - Iss. 1-2. - P. 241-252.
  67. Micromechanical modeling of the work-hardening behavior of single- and dual-phase steels under two-stage loading paths / K. Yoshida, R. Brenner, B. Bacroix, S. Bouvier // Materials Science and Engineering A. - 2011. - Vol. 528. - P. 1037-1046.
  68. Zambaldi C., Raabe D. Crystal plasticity modelling and experiments for deriving microstructure-property relationships in γ-TiAl based alloys // Journal of Physics: Conference Series. - 2010. - Vol. 240. - P. 1-4. doi: 10.1088/1742-6596/240/1/012140
  69. Zieli´nski W., ´Swi˛atnicki W., Barstch M., Messerschmidt U. Non-uniform distribution of plastic strain in duplex steel during TEM in situ deformation // Materials Chemistry and Physics. - 2003. - Vol. 81. - P. 476-479.
  70. Zikry M.A. Kao M. Inelastic microstructural failure mechanisms in crystalline materials with high angle grain boundaries // J. Mech. Phys. Solids - 1996. - Vol. 44 (11) - P. 1765-1798.

Статистика

Просмотры

Аннотация - 138

PDF (Russian) - 86

Cited-By


PlumX


© Кондратьев Н.С., Трусов П.В., 2015

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах