[论文解读] Dislocation Evolution During Plastic Deformation: Equations vs. Discrete Dislocation Simulations

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

Microstructure and mechanical properties参考文献 72被引用 6

一句话总结

本文利用离散位错动力学模拟，为多晶薄膜中的位错演化构建了一个连续体模型。推导了活性位错源密度、形核与湮灭速率的表达式，证明了该模型中尺寸效应自然出现，并且模拟结果与连续体预测具有高度一致性。

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.

研究动机与目标

• 为解释金属的加工硬化行为，这是材料科学中长期存在的挑战。
• 弥合单个位错过程与其集体宏观效应之间的鸿沟。
• 为多晶薄膜中位错结构演化发展一种基于连续体的模型。
• 从离散模拟中量化位错源密度、形核与湮灭速率。
• 展示尺寸效应如何自然地从推导出的演化方程中产生。

提出的方法

• 采用二维离散位错动力学（3DD）模型，模拟塑性变形过程中位错的演化。
• 从模拟输出中提取位错源密度、形核与湮灭速率的统计数据。
• 基于模拟的位错动力学推导连续体层次的演化方程。
• 在模拟的位错结构演化背景下评估泰勒方程。
• 从模拟数据中建立位错源密度及速率过程的解析表达式。
• 将该框架扩展，以展示其在三维系统中的潜在适用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用离散位错动力学推导位错结构的连续体层次演化方程？
• RQ2 多晶薄膜中位错源密度、形核与湮灭速率的定量表达式是什么？
• RQ3 尺寸效应如何从离散模拟推导出的连续体模型中自然出现？
• RQ4 连续体模型在多大程度上能准确预测离散位错动力学模拟中观察到的行为？
• RQ5 所推导的模型能否推广至三维位错系统？

主要发现

• 推导出的连续体模型与离散位错动力学模拟结果高度一致。
• 加工硬化中的尺寸效应自然地从演化方程中产生，无需经验调整。
• 成功地从模拟数据中推导出位错源密度、形核与湮灭速率的表达式。
• 该框架基于二维离散位错动力学模型，但可扩展至三维系统。
• 在模拟的位错结构演化背景下，泰勒方程得到验证并得以优化。
• 该方法为从原子尺度动力学到连续体行为的位错演化建模提供了一条系统性路径。