[论文解读] 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 Racherla+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2008

Microstructure and mechanical properties参考文献 3被引用 6

一句话总结

本文基于1/2〈111〉螺位错滑移的原子尺度模拟，为钼和钨单晶提出了一种考虑非滑移应力（特别是滑移方向垂直的剪切应力）的解析屈服准则。该准则能够捕捉拉压不对称性与非关联塑性流动，其预测结果与实验数据具有出色的定性一致性，并表明非平面位错核心效应在多晶材料中依然存在，显著影响剪切局部化与空穴不稳定现象。

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.

研究动机与目标

• 开发一种解析屈服准则，以捕捉非滑移应力对钼和钨中1/2〈111〉螺位错临界 resolved 剪切应力（CRSS）的影响。
• 通过引入滑移方向垂直的剪切应力，解释体心立方金属中拉压不对称性的起源。
• 利用泰勒均质化方法，将原子尺度上关于位错核心结构与滑移的见解拓展至多晶尺度。
• 证明由于非平面螺位错核心引起的非关联塑性流动，会显著影响宏观现象如剪切局部化与延性固体中的空穴不稳定现象。

提出的方法

• 基于第一部分的原子尺度数据，推导出一种解析屈服准则，其为四种剪切应力（Schmid 应力与三个非滑移应力，包括一个平行和两个垂直于滑移方向的应力）的线性组合。
• 利用该屈服准则计算屈服面，并与假设基于 Schmid 准则的屈服面进行比较，揭示非关联流动行为。
• 应用泰勒均质化程序于随机多晶材料，评估非平面核心效应在宏观尺度的持续性。
• 分析延性固体中的空穴不稳定现象，将强度差（SD）与非关联流动程度关联，并量化其对空穴极限的影响。
• 将原子尺度模拟中获得的 CRSS 对 χ（MRSS 平面取向）和 τ（垂直剪切应力）的数值依赖关系，作为分析模型的输入。
• 利用钼在 [149] 加载轴方向的实验数据，对预测结果进行验证，特别关注拉压不对称性。

实验结果

研究问题

• RQ1 非滑移应力（特别是滑移方向垂直的剪切应力）如何影响体心立方金属中1/2〈111〉螺位错滑移的临界 resolved 剪切应力？
• RQ2 由非滑移应力引起的非关联塑性流动，在多大程度上可解释钼和钨中观测到的拉压不对称性？
• RQ3 单晶中非平面螺位错核心的影响能否传递至多晶尺度？其对宏观变形行为有何影响？
• RQ4 非关联流动对空穴不稳定等关键现象在延性塑性固体中的影响是什么？
• RQ5 强度差（SD），作为非关联流动的度量，如何与多晶材料的空穴极限相关联？

主要发现

• 该屈服准则成功捕捉了临界 resolved 剪切应力对最大 resolved 剪切应力平面取向（χ）和垂直剪切应力（τ）的依赖关系，该关系源自原子尺度模拟。
• 对于钼，该模型预测在广泛取向范围内，压缩屈服应力高于拉伸屈服应力，仅在接近 [011] 角落处发生反转，与实验数据具有出色的定性一致性。
• 在钨中，预测的拉压不对称性完全由非滑移应力引起，因为形变孪生与反孪生的不对称性可忽略不计，目前尚无实验数据验证此预测。
• 该模型识别出，在钼中 (101)[111] 系统为最高度应力化的系统，而在钨中为 (110)[111] 系统，表明两种金属中主导滑移系统存在反转。
• 由屈服准则导出的强度差（SD）使钼的空穴极限降低近 20%，表明非关联流动在宏观尺度具有显著影响。
• 螺位错的非平面核心效应在多晶尺度依然存在，导致随机多晶材料中出现非关联塑性流动，显著影响剪切局部化与空穴不稳定现象。