[논문 리뷰] Dislocation Evolution During Plastic Deformation: Equations vs. Discrete Dislocation Simulations

Kamyar M. Davoudi, Joost J. Vlassak|arXiv (Cornell University)|2014. 08. 28.

Microstructure and mechanical properties참고 문헌 72인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 이산 비틀림 손실 역학 시뮬레이션을 사용하여 다결정성 박막에서의 비틀림 손실 진화를 위한 연속체 모델을 개발한다. 활성 비틀림 손실 소스 밀도, 생성 및 상실 비율에 대한 표현식을 유도하며, 모델에서 크기 효과가 자연스럽게 나타나고 시뮬레이션과 연속체 예측 간에 강한 일치를 보임을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 금속의 피로 강화 거동을 설명하기 위해, 재료 과학에서 오랫동안 남아온 도전 과제이다.
• 개별 비틀림 손실 과정과 그들이 집합적으로 나타내는 거시적 효과 사이의 격차를 메우기 위해.
• 다결정성 박막에서 비틀림 손실 구조 진화를 위한 연속체 기반 모델을 개발하기 위해.
• 이산 시뮬레이션에서 비틀림 손실 소스 밀도, 생성 및 상실 비율을 정량화하기 위해.
• 유도된 진화 방정식에서 크기 효과가 어떻게 자연스럽게 나타나는지 보여주기 위해.

제안 방법

• 플라스틱 변형 중 비틀림 손실 진화를 시뮬레이션하기 위해 2차원 이산 비틀림 손실 역학(3DD) 모델을 사용한다.
• 시뮬레이션 출력물에서 비틀림 손실 소스 밀도, 생성 및 상실 비율에 대한 통계적 자료를 추출한다.
• 모의 비틀림 손실 역학에 기반하여 연속체 수준의 진화 방정식을 유도한다.
• 유도된 비틀림 손실 진화 방정식의 맥락에서 테일러 방정식을 평가한다.
• 시뮬레이션 데이터로부터 비틀림 손실 소스 밀도 및 비율 과정에 대한 해석적 표현식을 수립한다.
• 3차원 시스템에의 적용 가능성을 보여주기 위해 프레임워크를 확장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이산 비틀림 손실 역학을 어떻게 사용하여 비틀림 손실 구조에 대한 연속체 수준의 진화 방정식을 유도할 수 있는가?
• RQ2 다결정성 박막에서 비틀림 손실 소스 밀도, 생성 및 상실 비율에 대한 정량적 표현식은 무엇인가?
• RQ3 이산 시뮬레이션에서 유도된 연속체 모델에서 크기 효과는 어떻게 나타나는가?
• RQ4 연속체 모델은 이산 비틀림 손실 역학 시뮬레이션에서 관찰된 행동을 얼마나 정확하게 예측하는가?
• RQ5 유도된 모델은 3차원 비틀림 손실 시스템으로 일반화될 수 있는가?

주요 결과

• 유도된 연속체 모델은 이산 비틀림 손실 역학 시뮬레이션 결과와 매우 우수한 일치를 보인다.
• 피로 강화에서의 크기 효과는 경험적 조정 없이도 진화 방정식에서 자연스럽게 나타난다.
• 비틀림 손실 소스 밀도, 생성 및 상실 비율에 대한 표현식은 시뮬레이션 데이터로부터 성공적으로 유도되었다.
• 이 프레임워크는 2차원 이산 비틀림 손실 역학 모델을 기반으로 하였지만 3차원 시스템으로 확장 가능하다.
• 테일러 방정식은 시뮬레이션된 비틀림 손실 구조 진화 맥락에서 검증되고 개선되었다.
• 이 접근법은 원자 스케일의 동역학에서 연속체 수준의 거동으로 비틀림 손실 진화를 모델링하기 위한 체계적인 경로를 제공한다.