[논문 리뷰] 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 Racherla외 2명|arXiv (Cornell University)|2008. 07. 16.

Microstructure and mechanical properties참고 문헌 3인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 모리브덴과 wolfram 단일결정에서의 비굴림 응력—특히 슬립 방향에 수직인 전단 응력—을 고려한 분석적 항복 기준을 개발한다. 이는 1/2〈111〉 나선형 불순물의 원자역학적 시뮬레이션 기반으로 유도되었다. 기준은 인장-압축 비대칭성과 비연계된 플라스틱 유동을 잘 묘사하며, 예측 결과는 실험과 뛰어난 정성적 일치를 보이며, 비평면적 불순물 핵 구조 효과가 다결정 재료로까지 유지되어 전단 국소화와 기포 형성 불안정성에 상당한 영향을 미친다는 것을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 1/2〈111〉 나선형 불순물의 모리브덴과 wolfram에서의 임계 분해 전단 응력(CRSS)에 비굴림 응력의 영향을 잘 묘사하는 분석적 항복 기준을 개발하는 것.
• 슬립 방향에 수직인 전단 응력의 포함을 통해 BCC 금속에서의 인장-압축 비대칭성의 기원을 설명하는 것.
• 불순물 핵 구조 및 굴림에 대한 원자역학적 통찰을 타일러 균질화를 통해 다결정 수준으로 확장하는 것.
• 비평면적 나선형 불순물 핵에 기인한 비연계 플라스틱 유동이 다결정에서 전단 국소화와 연성 고체의 기포 형성 불안정성과 같은 거시적 현상에 미치는 영향을 보여주는 것.

제안 방법

• 제1부의 원자역학적 자료를 바탕으로, 슬립 방향에 수직인 전단 응력 세 가지와 평행인 전단 응력 한 가지를 포함한 네 가지 전단 응력의 선형 조합으로서의 분석적 항복 기준을 유도하였다.
• 항복 기준을 사용하여 항복 표면을 계산하고, 이를 가상의 슈마이드 기반 표면과 비교함으로써 비연계 유동 행동을 밝혀냈다.
• 무작위 다결정에 대해 타일러 균질화 절차를 적용하여 비평면적 핵 효과의 거시적 유지 여부를 평가하였다.
• 연성 고체에서의 기포 형성 불안정성을 분석하고, 강도 차이(SD)가 비연계 유동의 정도와 어떻게 관련되어 있는지 분석하며, 기포 형성 한계에 미치는 영향을 정량화하였다.
• 원자역학적 시뮬레이션에서 유도된 χ(최대 분해 전단 응력 평면의 방향)와 τ(수직 전단 응력)에 대한 CRSS의 수치적 의존성을 분석 모델의 입력으로 사용하였다.
• 특히 [149] 적재 축에서의 모리브덴의 인장-압축 비대칭성 실험 데이터와 예측 결과를 비교하여 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비굴림 응력—특히 슬립 방향에 수직인 전단 응력—은 BCC 금속에서 1/2〈111〉 나선형 불순물의 굴림에 대한 임계 분해 전단 응력에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 비굴림 응력에 기인한 비연계 플라스틱 유동은 모리브덴과 wolfram에서 관측된 인장-압축 비대칭성을 어느 정도 설명할 수 있는가?
• RQ3 단일결정에서의 비평면적 나선형 불순물 핵 효과는 다결정 수준으로 전이될 수 있으며, 그 영향은 거시적 변형 거동에 어떻게 작용하는가?
• RQ4 비연계 유동은 연성 플라스틱 고체에서 기초적인 현상인 기포 형성 불안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 강도 차이(SD), 즉 비연계 유동의 척도는 다결정 재료에서 기포 형성 한계와 어떻게 스케일링되는가?

주요 결과

• 항복 기준은 원자역학적 시뮬레이션에서 도출된 바와 같이, 최대 분해 전단 응력 평면의 방향(χ)과 수직 전단 응력(τ)에 대한 임계 분해 전단 응력의 의존성을 잘 묘사한다.
• 모리브덴의 경우, 압축 항복 응력이 인장 항복 응력보다 높은 광범위한 각도 범위에서 비대칭성을 예측하며, 이는 실험 데이터와 뛰어난 정성적 일치를 보인다. [011] 모서리 근처에서만 반전이 발생한다.
• wolfram의 경우, 예측된 인장-압축 비대칭성은 비굴림 응력에 기인하며, 투과-반전 대칭성의 비대칭성은 무시할 수 있을 정도로 작고, 현재까지 실험 데이터가 없어 이 예측을 검증할 수 없다.
• 모델은 모리브덴에서 (101)[111] 체계가 가장 높은 응력 상태에 있으며, wolfram에서는 (110)[111] 체계가 가장 높은 응력 상태에 있음을 밝혀내어 두 금속 간에 주요 슬립 체계의 역전이 일어나는 것을 시사한다.
• 항복 기준에서 유도된 강도 차이(SD)는 모리브덴에서 기포 형성 한계를 약 20% 감소시키며, 이는 비연계 유동이 거시적 수준에서 상당한 영향을 미친다는 것을 보여준다.
• 나선형 불순물의 비평면적 핵 효과는 다결정 수준에서도 유지되어 비연계 플라스틱 유동을 유도하며, 이는 전단 국소화와 기포 형성 불안정성에 상당한 영향을 미친다.