[論文レビュー] Effect of slip transmission at grain boundaries in Al bicrystals

S. Haouala, Reza Alizadeh+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2019

Microstructure and mechanical properties参考文献 58被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、アルミニウム二結晶における粒界（GB）を越えるすべり伝播を調査するため、速度依存性のある脱進位基盤の結晶塑性モデルを構築した。Kocks-Mecking則の修正により、完全に不透明な、部分的に透過可能な、完全に透過可能なGBを導入した。主な発見は、すべり伝播が変形メカニズムを顕著に変化させることである。部分的に透過可能なGBは、脱進位の積み上がりと応力集中を低減するが、完全に透過可能なGBは応力集中を完全に除去するが、実験的観察と矛盾するため、大多数のGBは、すべり系の整列が限定的で、潜在的加工硬化効果があるため、ほぼ不透明に振る舞うと示唆される。

ABSTRACT

The effect of slip transfer on the deformation mechanisms of Al bicrystals was explored using a rate-dependent dislocation-based crystal plasticity model. Three different types of grain boundaries (GBs) were included in the model by modifying the rate of dislocation accumulation near the GB in the Kocks-Mecking law, leading to fully-opaque (dislocation blocking), fully-transparent and partially-transparent GBs. In the latter, slip transmission is only allowed in pairs of SS in neighbour grains that are suitably oriented for slip transfer according to the Luster-Morris parameter. Modifications of the GB character led to important changes in the deformation mechanisms at the GB. In general, bicrystals with fully-opaque boundaries showed an increase in the dislocation density near the GB, which was associated with an increase in the Von Mises stress. In contrast, the dislocation pile-ups and the stress concentration were less pronounced in the case of partially-transparent boundaries as the slip in one grain can progress into the next grain with some degree of continuity. No stress concentrations were found at these boundaries for fully-transparent boundaries, and there was continuity of strain across the boundary, which is not typical of most experimentally observed GBs. Simulations of ideal bicrystals oriented for favorable slip transfer on the most highly favored slip system in grains with high Schmid factors for slip transfer depends on the number of active SS in operation in the neighborhood and that most boundaries will lead to nearly opaque conditions while some boundaries will be transparent. Finally, the model was applied to a particular experimentally observed GB in which slip transfer was clearly operating indicating that the model predicted a nearly transparent GB.

研究の動機と目的

• 粒界（GB）の特性がAl二結晶におけるすべり伝播および変形メカニズムに与える影響を理解すること。
• Kocks-Mecking則を用い、脱進位伝播に対するGB抵抗を明示的に考慮する結晶塑性モデルを構築すること。
• GBの透過性（完全不透明、部分透過、完全透過）が脱進位の積み上がり、応力集中、ひずみの連続性に与える影響を評価すること。
• モデルが実験的に観察された粒界におけるすべり伝播行動を予測できるかを評価すること。
• 複数の活性化すべり系とLuster-Morrisパラメータが、GBを越えるすべり伝播を促進または抑制する役割を果たすかを特定すること。

提案手法

• 速度依存性のある脱進位基盤の結晶塑性有限要素モデルを用い、境界近傍の脱進位蓄積率を調整することで、Kocks-Mecking則を修正し、異なるGBタイプを表現した。
• 3種類のGBタイプをモデル化した：完全不透明（完全ブロッキング）、完全透過（抵抗なし）、部分透過（Luster-Morrisパラメータが臨界値を超える場合にのみすべり伝播を許容）。
• Luster-Morrisパラメータは、隣接する結晶内のすべり系間の幾何的適合性を決定し、両方のすべり系が有利な方位にある場合にのみすべり伝播を可能にする。
• 単一すべりと二重すべりの活性化を想定した方位を選択し、自由境界条件および周期的境界条件（制約あり・なし）の下で、理想化された二結晶を用いたシミュレーションを実施した。
• 特定の実験的に観察されたGBにモデルを適用し、すべり伝播が確認された事例を検証し、予測されたすべり系活性度と実験的観察を比較した。
• 非活性化すべり系からの加工硬化効果を捉えるために、加工硬化相互作用行列を導入した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GBの透過性が、Al二結晶における界面での脱進位の積み上がりと応力集中にどのように影響するか？
• RQ2 隣接する結晶内の活性化すべり系の数が、GBの有効透過性にどの程度影響を及えるか？
• RQ3 Luster-Morrisパラメータは、結晶塑性モデルにおいてGBを越えるすべり伝播を信頼性高く予測できるか？
• RQ4 自由境界条件と制約付き周期的境界条件の違いが、変形に対するGB特性の感受性にどのように影響するか？
• RQ5 完全不透明または完全透過の仮定と比較して、部分的に透過可能なGBモデルが、ひずみの連続性と応力集中の低減という点で実験的観察をよりよく捉えられるか？

主な発見

• 完全不透明なGBを有する二結晶では、境界付近で顕著な脱進位の積み上がりとVon Mises応力の増加が観察され、強い応力集中を示した。
• 部分的に透過可能なGBは、Luster-Morrisパラメータが臨界閾値を超える場合にのみすべり伝播を許容することで、脱進位の積み上がりと応力集中を低減した。
• 完全に透過可能なGBは、応力集中を完全に除去し、境界を越えてひずみが連続するが、Alの粒界における実験的観察と矛盾するため、実際のGBはほとんど不透明に近い挙動を示すと示唆される。
• 類似したSchmid因子を持つ複数の活性化すべり系が存在すると、強い潜在的加工硬化が発生し、幾何的適合性が良好であっても、実質的にGBはほぼ不透明に振る舞うようになる。
• 実験的に観察されたGBのシミュレーションでは、モデルが完全不透明と完全透過の間の中間的なすべり系活性度を予測した。実験的に観察されたすべり系は高い活性度を示したため、モデルの妥当性が裏付けられた。
• 本モデルは、潜在的加工硬化と幾何的適合性の制限の両方の効果により、多くのGBが、一部のすべり系が有利に整列している場合でさえ、実質的に不透明に振る舞うと示している。