مشخصه‌یابی پارامترهای جریان و سخت‌شوندگی آلیاژ آلومینیوم ۱۱۰۰ با ترکیب آزمون نانو فروروندگی و شبیه‌سازی اجزا محدود کریستال پلاستیسیته

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

2 دانشیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

چکیده

پاسخ مکانیکی مواد کریستالی متأثر از جریان و سخت‌شوندگی نابجایی‌هاست؛ که برای توصیف آنها به‌عنوان مدل ماده در محاسبات اجزا محدود، پارامترهای جریان و سخت‌شوندگی در یک کد کریستال پلاستیسیته پیاده‌سازی می‌شوند. در این مطالعه، با ترکیب آزمون نانو فروروندگی تجربی و شبیه‌سازی اجزا محدود کریستال پلاستیسیته سه‌بعدی، پارامترهای جریان و سخت‌شوندگی آلیاژ آلومینیوم ۱۱۰۰ ‏مشخص شدند. با مقایسه منحنی‌های تنش-کرنش آزمون کشش تک‌محوری تجربی و شبیه‌سازی اجزا محدود کریستال پلاستیسیته سه‌بعدی بر روی مدل‌های تک‌کریستال و پلی‌کریستال، پارامترهای استخراج‌شده اعتبارسنجی شدند. همچنین، اثر ضریب اصطکاک در تعیین پارامترهای جریان و سخت‌شوندگی موردبحث قرار گرفت. نتایج این مطالعه نشان داد که (‏i) پارامترهای تنش تسلیم اولیه، نرخ کرنش برشی مرجع و ‏تنش اشباع ‏به ترتیب بیش‌ترین همبستگی مثبت را با حداکثر بار دارند؛ (ii) منحنی بار-جابجایی به‌دست‌آمده از شبیه‌سازی آزمون‌ نانو فروروندگی با پارامترهای مشخصه‌یابی‌شده‌، دارای خطای نسبی 50/0% نسبت به آزمون‌ نانو فروروندگی تجربی در حداکثر عمق فرورفتگی است؛ (iii) پارامترهای مشخصه‌یابی‌شده به‌طور قابل‌توجهی توانایی تخمین تنش تسلیم و مقاومت کشش نهایی را به ترتیب با خطای نسبی 60/2‌%‌ و 20/0‌% برای مدل‌ تک‌کریستال و 18/10% و 44/12% برای مدل‌ پلی‌کریستال دارند. بااین‌حال، ضمن مدل‌سازی دقیق ناحیه تسلیم در مدل پلی‌کریستال، دقت پارامترهای مشخصه‌یابی‌شده تحت تأثیر جهت‌گیری مرزدانه‌هاست.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]  Phillips, R., Crystals, defects and microstructures: modeling across scales. 2001: Cambridge University Press.
[2]   Asaro, R. and V. Lubarda, Mechanics of solids and materials. 2006: Cambridge University Press.
[3]   Herrera-Solaz, V., et al., An inverse optimization strategy to determine single crystal mechanical behavior from polycrystal tests: Application to AZ31 Mg alloy. International J. Plastic., 2014. 57: p. 1-15.
[4]   Chakraborty, A. and P. Eisenlohr, Evaluation of an inverse methodology for estimating constitutive parameters in face-centered cubic materials from single crystal indentations. Europ. J. Mech.-A/Solids, 2017. 66: p. 114-124.
[5]   Li, L., et al., Three-dimensional crystal plasticity finite element simulation of nanoindentation on aluminium alloy 2024. Materials Science and Engineering: A, 2013. 579: p. 41-49.
[6]   Horstemeyer, M., et al., A multiscale analysis of fixed-end simple shear using molecular dynamics, crystal plasticity, and a macroscopic internal state variable theory. Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, 2003. 11(3): p. 265.
[7]   Aghabalaeivahid, A. and M. Shalvandi, Microstructure-based crystal plasticity modeling of AA2024-T3 aluminum alloy defined as the α-Al, θ-Al2Cu, and S-Al2CuMg phases based on real metallographic image. Materials Research Express, 2021. 8(10): p. 106521.
[8]   Zirkle, T. and D.L. McDowell, Modeling cyclic deformation of austenitic stainless steels at elevated temperatures using a physically-based mesoscale crystal plasticity framework. Materials Science and Engineering: A, 2022. 832: p. 142377.
[9]   Jasim, S.A., et al., Role of Alloying Composition on Mechanical Properties of CuZr Metallic Glasses During the Nanoindentation Process. Metals and Materials International, 2022: p. 1-8.
[10] Viswanathan, G., et al., Direct observations and analyses of dislocation substructures in the α phase of an α/β Ti-alloy formed by nanoindentation. Acta materialia, 2005. 53(19): p. 5101-5115.
[11] Liu, Y., et al., Combined numerical simulation and nanoindentation for determining mechanical properties of single crystal copper at mesoscale. J..Mech. .Physic. Solids, 2005. 53(12): p. 2718-2741.
[12] Wu, B., et al., Prediction of plasticity and damage initiation behaviour of C45E+ N steel by micromechanical modelling. Materials & Design, 2017. 121: p. 154-166.
[13] Hammerquist, C.C. and J.A. Nairn, Modeling nanoindentation using the material point method. J. Materials Research, 2018. 33(10): p. 1369-1381.
[14] عین القضاتی، مونا و عاصم‌پور، احمد. (1400). تاثیر ویژگی‌های ریزساختار بر رفتار فولاد با سمانتیت کروی‌شده با استفاده از روش پلاستیسیته کریستالی. نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر. 53 (شماره 6 (Special Issue)): 4094-4079.
[15] Yin, B., et al., Experiments and crystal plasticity simulations for the deformation behavior of nanoindentation: Application to the α2 phase of TiAl alloy. Materials Science and Engineering: A, 2022. 831: p. 142283.
[16] Liu, M., et al., A combined experimental-numerical approach for determining mechanical properties of aluminum subjects to nanoindentation. Scientific reports, 2015. 5(1): p. 1-16.
[17] Durán, A.I., et al., Experimental and Numerical Analysis on the Formability of a Heat-Treated AA1100 Aluminum Alloy Sheet. J. Materials Eng. . Perform., 2015. 24(10): p. 4156-4170.
[18] Tang, D., et al., Evolution of the material microstructures and mechanical properties of AA1100 aluminum alloy within a complex porthole die during extrusion. Materials, 2018. 12(1): p. 16.
[19] Kim, M.-S., et al., Unraveling the formation mechanism of deformation bands in AA1100 alloy during plane forging and return-plane forging. International J. Mech. Sci., 2022. 223: p. 107268.
[20] Rice, J.R., Inelastic constitutive relations for solids: an internal-variable theory and its application to metal plasticity. J. Mech. Physic. Solids, 1971. 19(6): p. 433-455.
[21] Peirce, D., R.J. Asaro, and A. Needleman, Material rate dependence and localized deformation in crystalline solids. Acta metallurgica, 1983. 31(12): p. 1951-1976.
[22] Asaro, R.J., Crystal plasticity. 1983.
[23] Peirce, D., R. Asaro, and A. Needleman, An analysis of nonuniform and localized deformation in ductile single crystals. Acta metallurgica, 1982. 30(6): p. 1087-1119.
[24] Huang, Y., A user-material subroutine incroporating single crystal plasticity in the ABAQUS finite element program. 1991: Harvard Univ.
[25] Karimzadeh, A., M. Ayatollahi, and M. Alizadeh, Finite element simulation of nano-indentation experiment on aluminum 1100. Computational Materials Science, 2014. 81: p. 595-600.
[26] Retamoso, C., et al., Exploration of the initial photocatalytic activity parameters of αFe2O3–rutile for methylene blue discoloration in water through the OFAT process. J. Photochem. Photobio. A: Chemistry, 2023. 438: p. 114495.
[27] Evans, J.A., et al., Determining elastic anisotropy of textured polycrystals using resonant ultrasound spectroscopy. J. Materials Sci., 2021. 56(16): p. 10053-10073.
[28] Lim, H., et al., Investigating mesh sensitivity and polycrystalline RVEs in crystal plasticity finite element simulations. Int. J. Plastic., 2019. 121: p. 101-115.
[29] Mata, M. and J. Alcala, The role of friction on sharp indentation. J. Mech. Physic Solids, 2004. 52(1): p. 145-165.
[30] Burley, M., et al., Johnson-Cook parameter evaluation from ballistic impact data via iterative FEM modelling. Int. J. Impact Eng., 2018. 112: p. 180-192.
[31] Durst, K., M. Göken, and G.M. Pharr, Finite element simulation of spherical indentation in the elastic–plastic transition. Int. J. Materials Research, 2022. 93(9): p. 857-861.
[32] Liu, M., et al., A crystal plasticity study of the effect of friction on the evolution of texture and mechanical behaviour in the nano-indentation of an aluminium single crystal. Computational materials science, 2014. 81: p. 30-38.
[33] Karthik, V., et al., Finite element analysis of spherical indentation to study pile-up/sink-in phenomena in steels and experimental validation. International J. Mech. Sci., 2012. 54(1): p. 74-83.
 
[34] Howe, S. and C. Elbaum, The relation between the plastic deformation of aluminium single crystals and polycrystals. Philosophical Magazine, 1961. 6(61): p. 37-48.