Прямое многоуровневое моделирование: учет локализации напряжений вблизи границ зерен

В работе представлена модифицированная многоуровневая конститутивная модель для анализа напряженно-деформированного состояния поликристаллических материалов с явным учетом влияния разориентации границ зерен на механический отклик. Модель реализована в виде пользовательского модуля для конечно-элементного программного комплекса SIMULIA Abaqus. Особенностью модификации является введение фактора совместности систем скольжения, учитываемого в законе упрочнения через соотношение для критических касательных напряжений, что позволяет принимать во внимание взаимодействие дислокаций с границами зерен. С применением разработанной модели проведено численное исследование сгенерированной поликристаллической структуры аустенитной нержавеющей стали 308LSi. Полученные результаты показывают локализацию напряжений и пластических сдвигов вблизи межзеренных границ с высокой разориентацией, что подтверждает значительное влияние кристаллогеометрических факторов на упрочнение материала.

1. Beyerlein I. J., Demkowicz M. J., Misra A., Uberuaga B. P. Defect-interface interactions // Prog. Mater. Sci. 2015. V. 74. P. 125–210. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2015.02.001.

2. Bayerschen E., McBride A. T., Reddy B. D., Böhlke T. Review on slip transmission criteria in experiments and crystal plasticity models // J. Mater. Sci. 2015. V. 51, No 5. P. 2243–2258. https://doi.org/10.1007/s10853-015-9553-4.

3. Haouala S., Alizadeh R., Bieler T. R., Segurado J., LLorca J. Effect of slip transmission at grain boundaries in Al bicrystals // Int. J. Plast. 2020. V. 126. Art. 102600. https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2019.09.006.

4. Zhang S., Wang L., Zhu G., Diehl M., Maldar A., Shang X., Zeng X. Predicting grain boundary damage by machine learning // Int. J. Plast. 2022. V. 150. Art. 103186. https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2021.103186.

5. Pelegatti M., Brûza J., Jambor M., Siska F., Man J. On microstructure evolution and damage onset in 316 L steel produced by laser-powder bed fusion during the early stages of low cycle fatigue loading // Mater. Charact. 2025. V. 228. Art. 115448. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2025.115448.

6. Salvini M., Grilli N., Demir E., He S., Martin T., Flewitt P., Mostafavi M., Truman C., Knowles D. Effect of grain boundary misorientation and carbide precipitation on damage initiation: A coupled crystal plasticity and phase field damage study // Int. J. Plast. 2024. V. 172. Art. 103854. https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2023.103854.

7. Mazánová V., Heczko M., Polák J. On the mechanism of fatigue crack initiation in high-angle grain boundaries // Int. J. Fatigue. 2022. V. 158. Art. 106721. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2022.106721.

8. Liu W., Cheng Y., Sui H., Fu J., Duan H. Microstructure-based intergranular fatigue crack nucleation model: Dislocation transmission versus grain boundary cracking // J. Mech. Phys. Solids. 2023. V. 173. Art. 105233. https://doi.org/10.1016/j.jmps.2023.105233.

9. Roters F., Eisenlohr P., Hantcherli L., Tjahjanto D. D., Bieler T. R., Raabe D. Overview of constitutive laws, kinematics, homogenization and multiscale methods in crystal plasticity finite-element modeling: Theory, experiments, applications // Acta Mater. 2010. V. 58, No 4. P. 1152–1211. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2009.10.058.

10. Kacher J., Eftink B. P., Cui B., Robertson I. M. Dislocation interactions with grain boundaries // Curr. Opin. Solid State Mater. Sci. 2014. V. 18, No 4. P. 227–243. https://doi.org/10.1016/j.cossms.2014.05.004.

11. Ma A., Roters F., Raabe D. On the consideration of interactions between dislocations and grain boundaries in crystal plasticity finite element modeling – Theory, experiments, and simulations // Acta Mater. 2006. V. 54, No 8. P. 2181–2194. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2006.01.004.

12. Gardner L. The use of stainless steel in structures // Prog. Struct. Eng. Mater. 2005. V. 7, No 2. P. 45–55. https://doi.org/10.1002/pse.190.

13. Badoo N. R. Stainless steel in construction: A review of research, applications, challenges and opportunities // J. Constr. Steel Res. 2008. V. 64, No 11. P. 1199–1206. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2008.07.011.

14. Kumar A., Sharma R., Kumar S., Verma P. A review on machining performance of AISI 304 steel // Mater. Today: Proc. 2021. V. 56, Pt. 5. P. 2945–2951. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.11.003.

15. Junaidh A. P., Yuvaraj G., Peter J., Bhuvaneshwari V., Kanagasabapathi, Karthik K. Influence of process parameters on the machining characteristics of Austensite stainless steel (AISI 304) // Mater. Today: Proc. 2018. V. 5, Pt. 2. P. 13321–13333. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2018.02.324.

16. Olshanskaya T., Trushnikov D., Dushina A., Ganeev A., Polyakov A., Semenova I. Microstructure and properties of the 308LSi austenitic steel produced by Plasma-MIG deposition welding with layer-by-layer peening // Metals. 2022. V. 12, No 1. Art. 82. https://doi.org/10.3390/met12010082.

17. Трушников Д. Н., Кельер И. Э., Кривоносова Е. А., Ильиных А. В., Чудинов В. В., Аксенов А. Г., Хомутинин И. С. Исследование специальных свойств стали аустенитного класса, полученной аддитивными гибридными технологиями // Металлург. 2025. № 1. С. 61–66. https://doi.org/10.52351/00260827_2025_1_61.

18. Laghi V., Palermo M., Gasparini G., Girelli V. A., Trombetti T. Experimental results for structural design of Wire-and-Arc Additive Manufactured stainless steel members // J. Constr. Steel Res. 2020. V. 167. Art. 105858. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2019.105858.

19. Tonelli L., Sola R., Laghi V., Palermo M., Trombetti T., Ceschini L. Influence of interlayer forced air cooling on microstructure and mechanical properties of wire arc additively manufactured 304L austenitic stainless steel // Steel Res. Int. 2021. V. 92, No 11. Art. 2100175. https://doi.org/10.1002/srin.202100175.

20. Kacher J., Robertson I. M. Quasi-four-dimensional analysis of dislocation interactions with grain boundaries in 304 stainless steel // Acta Mater. 2012. V. 60, No 19. P. 6657–6672. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2012.08.036.

21. Jafarzad-Shayan M. M., Zarei-Hanzaki A., Moshiri A., Seop Kim H., Haftlang F., Tahaghoghi M., Mahmoudi M., Momeni M., Abedi H. R. Microstructural heterogeneity and exceptional mechanical properties in a wire-arc additively manufactured stainless steel // Mater. Sci. Eng.: A. 2023. V. 882. Art. 145473. https://doi.org/10.1016/j.msea.2023.145473.

22. Yu H., Xin Y., Wang M., Liu Q. Hall-Petch relationship in Mg alloys: A review // J. Mater. Sci. Technol. 2018. V. 34, No 2. P. 248–256. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2017.07.022.

23. Chong Y., Deng G., Gao S., Yi J., Shibata A., Tsuji N. Yielding nature and Hall-Petch relationships in Ti-6Al-4V alloy with fully equiaxed and bimodal microstructures // Scr. Mater. 2019. V. 172. P. 77–82. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2019.07.015.

24. Abioge T. E., Wei C. Y., Zuhailawati H., Abdullah A. B. Enhancing the single-track deposition quality of AISI 308L wire arc additive manufacturing via process optimization and cold forging treatment // Proc. Inst. Mech. Eng., Part E. 2023. V. 239, No 5. P. 2677–2687. https://doi.org/10.1177/09544089231215203.

25. Вяткин Я. В., Трусов П. В. Прямая физически-ориентированная упруговязкопластическая модель: применение для исследования влияния свободной поверхности на неупругое деформирование монокристаллических образцов // Пробл. прочн. пластичн. 2024. Т. 86, № 4. C. 505–524. https://doi.org/10.32326/1814-9146-2024-86-4-505-524.

26. Трусов П. В., Швейкин А. И. О разложении движения и определяющих соотношениях в геометрически нелинейной упруговязкопластичности кристаллитов // Физ. мезомехан. 2016. Т. 19, № 3. С. 25–38. https://doi.org/10.24411/1683-805X-2016-00061.

27. Randle V. The Measurement of Grain Boundary Geometry. Ser.: Electron Microscopy in Materials Science. Boca Raton, FL: CRC Press, 2017. 182 p. https://doi.org/10.1201/9780203736401.

28. Kamaya M. Assessment of local deformation using EBSD: Quantification of local damage at grain boundaries // Mater. Charact. 2012. V. 66. P. 56–67. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2012.02.001.

29. Lyu H., Hamid M., Ruimi A., Zbib H. M. Stress/strain gradient plasticity model for size effects in heterogeneous nano-microstructures // Int. J. Plast. 2017. V. 97. P. 46–63. https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2017.05.009.

30. Ahmadikia B., Kumar M. A., Beyerlein I. J. Effect of neighboring grain orientation on strain localization in slip bands in HCP materials // Int. J. Plast. 2021. V. 144. Art. 103026. https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2021.103026.

31. Liu W., Liu Y., Sui H., Chen L., Yu L., Yi X., Duan H. Dislocation-grain boundary interaction in metallic materials: Competition between dislocation transmission and dislocation source activation // J. Mech. Phys. Solids. 2020. V. 145. Art. 104158. https://doi.org/10.1016/j.jmps.2020.104158.

32. Cordero Z. C., Knight B. E., Schuh C. A. Six decades of the Hall–Petch effect – a survey of grain-size strengthening studies on pure metals // Int. Mater. Rev. 2016. V. 61, No 8. P. 495–512. https://doi.org/10.1080/09506608.2016.1191808.

33. Hahn E. N., Meyers M. A. Grain-size dependent mechanical behavior of nanocrystalline metals // Mater. Sci. Eng.: A. 2015. V. 646. P. 101–134. https://doi.org/10.1016/j.msea.2015.07.075.

34. Abuzaid W. Z., Sangid M. D., Carroll J. D., Sehitoglu H., Lambros J. Slip transfer and plastic strain accumulation across grain boundaries in Hastelloy X // J. Mech. Phys. Solids. 2012. V. 60, No 6. P. 1201–1220. https://doi.org/10.1016/j.jmps.2012.02.001.

35. Alizadeh R., Peña-Ortega M., Bieler T. R., LLorca J. A criterion for slip transfer at grain boundaries in Al // Scr. Mater. 2020. V. 178. P. 408–412. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2019.12.010.