[論文レビュー] Dislocation Evolution During Plastic Deformation: Equations vs. Discrete Dislocation Simulations

Kamyar M. Davoudi, Joost J. Vlassak|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2014

Microstructure and mechanical properties参考文献 72被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、離散的転位ダイナミクスシミュレーションを用いて、多結晶薄膜内の転位進化の連続体モデルを構築する。活性的転位源密度、核生成および消滅率の式を導出し、モデル内でサイズ効果が自然に出現することを示し、シミュレーションと連続体予測との間で強い一致を示している。

ABSTRACT

Explaining the work hardening behavior of metals has been a big challenge over the past eighty years. Although individual processes are well understood, the study of the overall effects of these processes was difficult before the emergence of computer modeling. In this paper, we employ discrete dislocation dynamics to establish a continuum-based model for the evolution of the dislocation structure in polycrystalline thin films. The Taylor equation is evaluated and expressions are developed for the density of active dislocation sources, as well as dislocation nucleation and annihilation rates. We demonstrate how the size effect naturally enters the evolution equation. Very good agreement between the simulation and the model results is obtained. The current approach is based on a two-dimensional discrete dislocation dynamics model, but can be extended to three-dimensional models.

研究の動機と目的

• 金属の加工硬化挙動を説明すること。これは材料科学における長年の挑戦である。
• 個々の転位プロセスとそれらの集団的巨視的効果の間のギャップを埋めること。
• 多結晶薄膜内の転位構造進化の連続体ベースのモデルを開発すること。
• 離散的シミュレーションから転位源密度、核生成および消滅率を定量化すること。
• 導出された進化方程式においてサイズ効果がどのように自然に出現するかを示すこと。

提案手法

• 塑性変形中の転位進化をシミュレートするために2次元の離散的転位ダイナミクス（3DD）モデルを用いる。
• シミュレーション出力から転位源密度、核生成および消滅率に関する統計的データを抽出する。
• シミュレートされた転位ダイナミクスに基づいて連続体レベルの進化方程式を導出する。
• シミュレートされた転位構造進化の文脈においてテイラー方程式を評価する。
• シミュレーションデータから転位源密度および率プロセスの解析的表現を確立する。
• 3次元系への応用可能性を示すためにフレームワークを拡張する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 離散的転位ダイナミクスをどのようにして転位構造の連続体レベルの進化方程式を導出するか？
• RQ2 多結晶薄膜における転位源密度、核生成および消滅率の定量的表現は何か？
• RQ3 離散的シミュレーションから導出された連続体モデルにおいてサイズ効果はどのように出現するか？
• RQ4 連続体モデルは、離散的転位ダイナミクスシミュレーションで観察された挙動をどの程度正確に予測できるか？
• RQ5 導出されたモデルは3次元転位系へ一般化可能か？

主な発見

• 導出された連続体モデルは、離散的転位ダイナミクスシミュレーション結果と非常に良い一致を示している。
• 加工硬化におけるサイズ効果は、経験的調整を必要とせず、進化方程式から自然に出現する。
• シミュレーションデータから転位源密度、核生成および消滅率の式が成功裏に導出された。
• フレームワークは2次元の離散的転位ダイナミクスモデルに基づいているが、3次元系へ拡張可能である。
• テイラー方程式は、シミュレートされた転位構造進化の文脈で検証され、精錬された。
• 本アプローチは、原子スケールのダイナミクスから連続体レベルの挙動へと転位進化をモデル化する体系的な道筋を提供する。