[論文レビュー] An effective anisotropic visco-plastic model dedicated to high contrast ductile laminated microstructures: Application to lath martensite substructure

V. Rezazadeh, R.H.J. Peerlings+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2022

Microstructure and mechanical properties被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、ラットマルテンサイトなどの高対比の延性的積層微細組織、特に薄い柔ららかく、より硬いマトリックス内に離散的な平面滑り面として埋め込まれた軟らかいオーステナイト膜を有する微細組織に対して、計算的に効率的で異方性のある粘塑性モデルを提案する。このモデルは、等方的粘塑性と方向依存の平面内滑り機構を組み合わせており、フルクリスタルプラスティシティシミュレーションで観察された異方性降伏および境界面滑りを正確に再現する一方で、等方的モデルと同等の計算コストを維持する。

ABSTRACT

In particular types of layer- or lamellar-like microstructures such as pearlite and lath martensite, plastic slip occurs favorably in directions parallel to inter-lamellar boundaries. This may be due to the interplay between morphology and crystallographic orientation or, more generally, due to constraints imposed on the plastic slip due to the lamellar microstructural geometry. This paper proposes a micromechanics based, computationally efficient, scale independent model for particular type of lamellar microstructures containing softer lamellae, which are sufficiently thin to be considered as discrete slip planes embedded in a matrix representing the harder lamellae. Accordingly, the model is constructed as an isotropic visco-plastic model which is enriched with an additional orientation-dependent planar plastic deformation mechanism. This additional mode is activated when the applied load, projected on the direction of the soft films, induces a significant amount of shear stress. Otherwise, the plastic deformation is governed solely by the isotropic part of the model. The response of the proposed model is assessed via a comparison to direct numerical simulations (DNS) of an infinite periodic two-phase laminate. It is shown that the yielding behavior of the model follows the same behavior as the reference model. It is observed that the proposed model is highly anisotropic, and the degree of anisotropy depends on the contrast between the slip resistance (or yield stress) of the planar mode versus that of the isotropic part. The formulation is then applied to model the substructure of lath martensite with inter-layer thin austenite films. It is exploited in a mesoscale simulation of a dual-phase (DP) steel microstructure.The results are compared with those of a standard isotropic model and a full crystal plasticity model.

研究の動機と目的

• 高対比の延性的積層微細組織、特に薄い保持オーステナイト膜を有するラットマルテンサイトを対象として、マイクロメカニクスに基づく計算的に効率的なモデルを開発すること。
• 積層界面に沿った優先的滑りによって引き起こされる異方性プラスティシティ応答を捉えること。これは、二相鋼のミクロスケールシミュレーションにおいて極めて重要である。
• 微細スケールでのフルクリスタルプラスティシティを解像しないで、平面滑り機構を埋め込むことで、物理的忠実性と計算コストのバランスを図ること。
• 周期的二相積層材の直接数値シミュレーション（DNS）と比較してモデルを検証し、降伏挙動および異方性の再現性を示すこと。

提案手法

• モデルは、等方的粘塑性の構成則に、薄い柔らかいリブンに特有の方向依存の平面内塑性変形機構を追加することで定式化される。
• 平面モードは、膜面への投影せん断応力が閾値を超えた場合にのみ活性化され、それ以外の場合は等方的部が支配的である。
• 軟らかい膜は等応力状態としてモデル化され、平衡が自明に満たされ、かつ平面内せん断に制限されるため、適合性の強制が簡略化される。
• モデルは均質化原理を用いて積層体の有効応答を表現し、軟らかい膜がより硬いマトリックス内に離散的な滑り面として埋め込まれる。
• 同様の幾何学的形状と材料特性を持つ無限周期的二相積層体のDNSに対して、モデルのキャリブレーションと検証が行われた。
• モデルは二相鋼の微細組織に適用され、ミクロスケールで等方的モデルおよびフルクリスタルプラスティシティモデルと比較された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 計算的に効率的なモデルは、ラットマルテンサイトに存在する層間オーステナイト膜に起因する極めて顕著な異方性プラスティシティを再現できるか？
• RQ2 慣性面に沿った平面滑り機構の導入が、DP鋼微細組織のマクロスケール降伏挙動および応力分布に与える影響は何か？
• RQ3 提案されたモデルは、フルクリスタルプラスティシティモデルの降伏挙動をどれほど正確に再現できるか、一方で等方的モデルと同等の計算効率を維持できるか？
• RQ4 平面モードと等方的マトリックス間の降伏応力対比が、モデル応答における異方性度に及ぼす影響はどの程度か？

主な発見

• 提案モデルは、参照となる直接数値シミュレーション（DNS）モデルの降伏挙動を正確に再現しており、軟らかい膜に平行または垂直な引張り荷重下で同じピーク降伏強度を示す。
• 軸方向荷重下では最大降伏強度を示し、最大せん断荷重（軟らかい膜面に沿った）下では最小降伏強度を示すため、強い異方性が確認された。
• せん断支配の荷重下では、有効積層モデルの降伏強度は、ラットマルテンサイトとオーステナイト膜を有するバイクリスタルのフルクリスタルプラスティシティモデルと非常に近い。
• 等方的モデリングと比較して、DP微細組織のシミュレーションにおいて、平面滑り機構によるマルテンサイト相の塑性の増幅により、マクロスケール降伏応力が顕著に低下した。
• 有効積層モデルの計算コストは、等方的粘塑性モデルとほぼ同一であり、境界面滑りおよび異方性プラスティシティの物理的挙動を捉えている。
• モデルは正確性と効率性のバランスを達成しており、等方的プラスティシティを基準としたCPU時間は1.0に近く保たれている。一方で、Marescaら（2016）のより複雑なモデルよりも計算速度が優れている。