[논문 리뷰] Effect of slip transmission at grain boundaries in Al bicrystals

S. Haouala, Reza Alizadeh외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 07.

Microstructure and mechanical properties참고 문헌 58인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 알루미늄 이결정에서 결정자재 경계(Go)를 넘는 슬립 전이를 조사하기 위해 속도 의존성의 비틀림 기반 결정성형 모델을 개발한다. Kocks-Mecking 법칙의 수정을 통해 완전 투명, 부분 투명, 완전 불투명한 GB를 도입한다. 주요 발견은 슬립 전이가 변형 메커니즘을 크게 변화시킨다는 것이다: 부분 투명한 GB는 비틀림 뭉치와 응력 집중을 감소시키지만, 완전 투명한 GB는 응력 집중을 제거하지만 실험 관찰과 일치하지 않으며, 대부분의 GB가 슬립계 정렬과 잠재적 경화 효과로 인해 거의 불투명하게 행동함을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 알루미늄 이결정에서 결정자재 경계(Go) 특성이 슬립 전이 및 변형 메커니즘에 미치는 영향를 이해하기 위해.
• Kocks-Mecking 법칙을 수정하여 비틀림 뭉치의 축적 속도를 조정함으로써 결정자재 경계의 비틀림 전이 저항을 명시적으로 고려하는 결정성형 모델을 개발하기 위해.
• 결정자재 경계의 투명도(완전 불투명, 부분 투명, 완전 투명)가 비틀림 뭉치, 응력 집중 및 변형 연속성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 모델이 실제 결정자재 경계에서 관측된 슬립 전이 행동을 예측할 수 있는지 평가하기 위해.
• 다중 활성 슬립계와 Luster-Morris 파라미터가 슬립 전이를 촉진하거나 억제하는 데 미치는 역할을 규명하기 위해.

제안 방법

• 속도 의존성의 비틀림 기반 결정성형 유한요소 모델을 사용하며, 경계 근처의 비틀림 뭉치 축적 속도를 조정하여 Kocks-Mecking 법칙을 수정하여 다양한 종류의 경계를 표현한다.
• 세 가지 경계 유형을 모의: 완전 불투명(완전 차단), 완전 투명(저항 없음), 부분 투명(단지 Luster-Morris 파라미터가 임계값을 초과할 때만 슬립 전이 허용).
• Luster-Morris 파라미터는 인접한 결정립의 슬립계 간 기하학적 호환성을 결정하며, 두 슬립계가 모두 유리한 방향이면 슬립 전이가 가능하다.
• 단일 슬립 및 双슬립 활성화를 위해 선택된 방향을 가진 이상화된 이결정에서 비압축 및 압축된 순환 경계 조건 하에서 시뮬레이션을 수행한다.
• 특정 실험적으로 관측된 경계에 모델을 적용하여 검증하며, 예측된 슬립계 활성도와 실험 관측 결과를 비교한다.
• 비활성화된 슬립계에서 기인하는 변형 경화 효과를 캡처하기 위해 경화 상호작용 행렬을 통해 잠재적 경화를 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 결정자재 경계의 투명도가 알루미늄 이결정에서 경계 부근의 비틀림 뭉치와 응력 집중에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ2 이웃한 결정립의 활성 슬립계 수가 결정자재 경계의 효과적 투명도에 어느 정도 기여하는가?
• RQ3 Luster-Morris 파라미터는 결정성형 모델에서 결정자재 경계를 넘는 슬립 전이를 신뢰성 있게 예측할 수 있는가?
• RQ4 비압축 및 압축된 순환 경계 조건의 차이가 변형에 대한 경계 특성의 민감도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 완전 불투명 또는 완전 투명 가정에 비해 부분 투명한 경계 모델이 실험 관측된 변형 연속성과 감소된 응력 집중을 더 잘 반영하는가?

주요 결과

• 완전 불투명한 경계를 가진 이결정에서는 경계 근처에서 비틀림 뭉치와 Von Mises 응력이 크게 증가하여 강한 응력 집중이 있음을 나타낸다.
• 부분 투명한 경계는 Luster-Morris 파라미터가 임계 임계값을 초과할 때 슬립 전이를 허용함으로써 비틀림 뭉치와 응력 집중을 감소시킨다.
• 완전 투명한 경계는 응력 집중을 제거하고 경계를 넘는 연속된 변형을 보장하지만, 이는 알루미늄에서 관측된 경계의 행동과 일치하지 않으며, 대부분의 경계가 슬립계 정렬과 잠재적 경화 효과로 인해 거의 불투명하게 행동함을 시사한다.
• 유사한 Schmid 요인을 가진 다수의 활성 슬립계 존재는 강한 잠재적 경화를 유도하며, 이는 일부 슬립계 조합이 유리하게 정렬되어 있어도 경계가 거의 불투명하게 행동하게 만든다.
• 실제 실험적으로 관측된 경계의 시뮬레이션에서 모델은 완전 불투명 및 완전 투명 사례 사이의 중간 수준의 슬립계 활성도를 예측하였으며, 실험적으로 관측된 슬립계는 높은 활성도를 보였고, 이는 모델의 관련성을 시사한다.
• 모델은 대부분의 결정자재 경계가 잠재적 경화와 제한된 기하학적 호환성의 병합 효과로 인해 비록 일부 슬립계가 유리하게 정렬되어 있어도 실제로는 거의 불투명하게 행동함을 보여준다.