[論文レビュー] Multiscale modeling of plastic deformation of molybdenum and tungsten: II. Yield criterion for single crystals based on atomistic studies of glide of 1/2 screw dislocations

Roman Gröger, Vikranth Racherla+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2008

Microstructure and mechanical properties参考文献 3被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、molybdenumおよびtungstenの単結晶に対する解析的降伏基準を提案する。この基準は、原子論的シミュレーションに基づき、滑り方向に垂直な剪断応力（非滑り応力）の影響を考慮したものである。1/2〈111〉らせん軸性不純度の滑りに関するものである。基準は引張・圧縮非対称性および非関連塑性流れを捉えており、予測結果は実験と優れた定性的一致を示し、非平面的不純度コア効果が多結晶体においても持続し、剪断局在化および空孔形成不安定性に顕著な影響を与えることを示している。

ABSTRACT

Based on the atomistic studies presented in Part I we develop analytical yield criteria for single crystals that capture the effect of shear stresses other than the Schmid stress (non-glide stresses) on the shear stress needed for dislocation glide (Peierls stress). These yield criteria characterize a non-associated plastic flow that originates owing to the complex response of 1/2<111> screw dislocations to an applied stress tensor. Employing these criteria we identify the operative slip systems for tensile/compressive loading along various axes within the standard stereographic triangle and determine the ensuing tension-compression asymmetry. This result is in an excellent qualitative agreement with available experimental data. Moreover, using the constructed yield criteria within the Taylor homogenization procedure, we demonstrate that effects associated with non-planar cores of screw dislocations persist in random polycrystals. This affects significantly critical phenomena such as shear localization, which is demonstrated by analyzing the cavitation in a ductile plastic solid.

研究の動機と目的

• molybdenumおよびtungstenにおける1/2〈111〉らせん軸性不純度の滑りの臨界応力（CRSS）に非滑り応力が与える影響を捉える解析的降伏基準の開発。
• 滑り方向に垂直な剪断応力を取り入れることで、BCC金属に見られる引張・圧縮非対称性の起源を解明すること。
• 不純度コア構造と滑りに関する原子論的知見を、Taylor均質化法を用いて多結晶体スケールに拡張すること。
• 非平面的らせん軸性不純度コアに起因する非関連塑性流れが、剪断局在化や空孔形成不安定性を含むマクロな現象に与える影響を示すこと。

提案手法

• Part Iの原子論的データに基づき、4つの剪断応力（シュミッド応力と非滑り応力3つ：滑り方向に平行な1つと垂直な2つ）の線形結合として解析的降伏基準を導出。
• 降伏基準を用いて降伏表面を計算し、仮想的なシュミッド基準に基づく表面と比較することで、非関連流れ行動を明らかにした。
• ランダム多結晶体にTaylor均質化手順を適用し、非平面的コア効果がマクロスケールにどのように持続するかを評価した。
• 延性固体における空孔形成不安定性を分析し、強度差分（SD）が非関連流れの度合いとどのように関連し、空孔形成限界に与える影響を定量化した。
• 原子論的シミュレーションから得られたCRSSのχ（MRSSPの方位）およびτ（垂直剪断応力）依存性を解析モデルの入力として採用した。
• molybdenumの引張・圧縮非対称性に関する実験データ、特に[149]方向荷重条件下の結果と照合して予測を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非滑り応力、特に滑り方向に垂直な剪断応力は、BCC金属における1/2〈111〉らせん軸性不純度の滑りに必要な臨界応力にどのように影響を与えるか？
• RQ2 非滑り応力に起因する非関連塑性流れは、molybdenumおよびtungstenに観察される引張・圧縮非対称性をどの程度説明できるか？
• RQ3 単結晶における非平面的らせん軸性不純度コア効果は多結晶体スケールにどのように伝播するか？また、それらはマクロな変形挙動にどのように影響を与えるか？
• RQ4 非関連流れは、延性塑性固体における空孔形成不安定性のような臨界現象にどのような影響を与えるか？
• RQ5 強度差分（SD）—非関連流れの度合いを表す指標—は、多結晶体材料における空孔形成限界とどのようにスケーリングするか？

主な発見

• 降伏基準は、原子論的シミュレーションから導出されたように、臨界応力が最大応力平面の方位（χ）および垂直剪断応力（τ）に依存することを的確に捉えている。
• molybdenumでは、モデルは広い方位範囲で圧縮降伏応力が引張降伏応力より大きい引張・圧縮非対称性を予測しており、[011]コーナー付近での反転を除いて、実験データと優れた定性的一致を示している。
• tungstenでは、予測された引張・圧縮非対称性は非滑り応力に起因しており、タングル・アンチタングル非対称性は無視できるほど小さい。現時点では実験的裏付けは存在しないが、予測は妥当である。
• 本モデルは、molybdenumでは(101)[111]系が最も高い応力状態にあり、tungstenでは(110)[111]系であると特定しており、両金属間で主要な滑り系が逆転している可能性を示唆している。
• 降伏基準から導出された強度差分（SD）は、molybdenumにおいて空孔形成限界をほぼ20％低減させることが判明し、非関連流れがマクロスケールに顕著な影響を与えることを示している。
• らせん軸性不純度の非平面的コア効果は多結晶体スケールでも持続し、ランダム多結晶体において非関連塑性流れを引き起こしており、これが剪断局在化および空孔形成不安定性に顕著な影響を与えている。