بررسی توزیع انرژی ذخیره شده تغییر شکل در داخل پلی‌کریستال فلزی با استفاده از تئوری کریستال پلاستیسیته بر مبنای چگالی نابجایی

انرژی تغییر شکل ذخیره شده ناشی از نابجایی ها در داخل پلی کریستال های فلزی می تواند یک نیروی محرکه کافی برای حرکت مرز دانه ها در طی عملیات حرارتی فراهم آورد. در این مقاله، ابتدا یک تئوری ساختاری کریستال ویسکوپلاستیسیته بر مبنای چگالی نابجایی، سازگار با قوانین ترمودینامیک، برای تغییر شکل های بزرگ ارائه می شود تا بتواند توزیع انرژی ذخیره شده ناشی از تغییر شکل در مواد فلزی را با دقت قابل قبول پیش بینی کند. سپس معادلات ساختاری در نرم افزار آباکوس از طریق نوشتن زیربرنامه در دو حالت مدل تیلور و مدل اجزای محدود کامل پیاده سازی می شوند. با انجام شبیه سازی های عددی روی تک کریستال های آلومینیوم و مقایسه نتایج عددی با نتایج آزمایشگاهی، تئوری ارائه شده مورد راستی آزمایی قرار گرفته و پارامترهای سخت شوندگی به دست می آیند. به عنوان یک کاربرد از تئوری ساختاری توسعه داده شده، ارتباط میان توزیع انرژی ذخیره شده تغییر شکل و حرکت کرنش القایی مرزدانه در پلی کریستال آلومینیوم در دو حالت مدل تیلور و مدل اجزای محدود کامل بررسی می شود. نتایج شبیه سازی عددی نشان می دهد که مدل تیلور دقت کافی برای محاسبه توزیع انرژی ذخیره شده تغییر شکل در داخل پلی کریستال و به دنبال آن حرکت مرزدانه ناشی از آن را ندارد، چرا که حرکت کرنش القایی مرزدانه در یک ریزساختار پلی کریستالی تحت تغییر شکل پلاستیک به شدت وابسته به توزیع انرژی ذخیره شده تغییر شکل در داخل ریزساختار و نه مقادیر کلی آنها است.

Investigating the Stored Deformation Energy Distribution in a Polycrystalline Metal using a Dislocation Density-based Crystal Viscoplasticity Theory

The stored deformation energy in the dislocation structures in a polycrystalline metal can provide a sufficient driving force to move grain boundaries during annealing. In this paper, a thermodynamicallyconsistent threedimensional, finitestrain and dislocation densitybased crystal viscoplasticity constitutive theory has been developed to describe the distribution of stored energy and dislocation density in a polycrystalline metal. The developed constitutive equations have been numerically implemented into the Abaqus finite element package via writing a user material subroutine. The simulations have been performed using both the simple Taylor model and the full micromechanical finite element model. The theory and its numerical implementation are then verified using the available data in literature regarding the physical experiments of the single crystal aluminum. As an application of the developed constitutive model, the relationship between the stored energy and the strain induced grain boundary migration in aluminum polycrystals has been investigated by the Taylor model and also, the full finite element model. The obtained numerical results indicated that the Taylor model could not precisely simulate the distribution of the stored deformation energy within the polycrystalline microstructure; consequently, the strain induced grain boundary migration. This is due to the fact that the strain induced grain boundary migration in a plastically deformed polycrystalline microstructure is principally dependent on the spatial distribution of the stored deformation energy rather than the overall stored energy value.