presentación de powerpoint - fisica.cab.cnea.gov.ar€¦ · y la reorientación cristalina...

Modelado policristalino autoconsistente en IFIR: deconvolución e interpretación de datos

experimentales a partir de difracción de neutrones

IFIR Instituto de Física Rosario – CONICET UNR Universidad Nacional de Rosario

Javier Signorelli

II Congreso Argentino de Técnicas Neutrónicas – TN2019 – 8-10 de Mayo 2019, Buenos Aires, Argentina

754414

Instituto de Física Rosario

4 DIVISIONES

• Teoría de Materia Condensada• Ciencia y Tecnología de Materiales• Física Teórica• Física Aplicada

Teléfonos:+54 (0341) 4853200 / 4853222 e-mail: [email protected] 27 de Febrero 210bis Rosario - S2000EZP


División Materiales – Área metales - Instituto de Física Rosario

Motivación. Definición del problema

Deformación del cristal simple

Deformación en el policristal?Repartición de la deformación?



Heterogeneidad

• La deformación en un policristal es heterogénea

• Las propiedades en el cristal simple son anisótropas (elasticidad, plasticidad, …)

• La incompatibilidad entre granos genera tensiones intergranulares

• Evolución de las orientaciones cristalinas

• Evolución de la microestructura

• …

Motivación. Características…



Los mecanismos de deformación tienen un rol importante en el proceso de deformación del material, afectando su microestructura y por ende su comportamiento

Motivación. Porqué importa?

optimización

formabilidad

materiales críticos

evolución de textura

anis

otr

op

ía



Presentación

• Escalas y heterogeneidades en el material

• Estrategias, objetivo mediano y largo plazo

Parte I: Marco de trabajo

• Modelos de homogeneización autoconsistentes

• Diferentes regímenes mecánicos

Parte II: Modelos policristalinos

• Evolución de textura cristalográfica

• Tensiones internas & residuales

Parte III: Aplicaciones



• ESCALA MACROSCÓPICA ej. componente estructural

• ESCALA MESOSCÓPICA ej. agregado policristalino

• ESCALA MICROSCÓPICA ej. cristal simple (grano)

• ESCALA SUB-MICROSCÓPICA ej. defectos

Meta

l p

olicri

sta

lin

o

• Geometría, Condiciones de carga

• Anisotropía Cristalina, Textura, Morfología, Topología

• Estructura de dislocaciones, Borde de grano, Deslizamiento, Maclado

Marco de trabajo

Escalas y heterogeneidades en el material

INTEGRACIÓN DE ESCALA

Mecanismos microscópicos

• Deslizamiento• Maclado• Difusión• …

Experiencia

• Condiciones controladas• Geometría simple• Caminos de deformación simples

Propiedades del cristal simple

• Homogéneo• Forma y anisotropía

Ecuaciones constitutivasmicro mecánicas Propiedades del

policristal

• Homogéneo• Textura y anisotropía

Modelos Policristalinos



Escalas y heterogeneidades en el material



Estrategias …

Cristal simpleConstantes

Elásticas & Térmicas

Cristal simpleDeslizamiento & Maclado & Parámetros endurecimiento

Textura inicial(Distribución Discreta

de Orientaciones)

MODELADOPOLICRISTALINO

Relación tensión – deformación en el grano

Relación tensión – deformación en el

agregado

Evolución de Textura

Problema Directo

Densidad de dislocaciones

Repartición de la deformación (actividad)Problema Inverso

Tensiones residuales intergranular

Evolución de Textura

Tensiones residuales intergranulares

Repartición de la deformación (actividad)

@ difracción de neutrones










• Evolución de textura cristalográfica

• Tensiones internas & residuales


Modelos de homogeneización. Esquema

Introducción Plasticidad cristalina GND-VPFFT Efecto de tamaño FormabilidadOrientación Calibración Comentarios

MODELOS AUTOCONSISTENTES

Cada GRANO es tratado como una INHOMOGENEIDAD ELIPSOIDAL inmersa en: un MEDIO HOMOGÉNEO EQUIVALENTE al comportamiento del POLICRISTAL.


Modelos policristalinos

Textura inicial

La anisotropía refleja en parte la textura

… y también las características de microestructura (eventualmente direccional)

EFRC Summer school 2012 – C.N. Tome

Modelos de homogeneización. Esquema

Introducción Plasticidad cristalina GND-VPFFT Efecto de tamaño FormabilidadOrientación Calibración Comentarios

REGIMENES & PROPIEDADES


Modelos policristalinos

Regímenes mecánicos. Termoelasticidad

La deformación dentro del grano está compuesta por una parte elástica y otra inelástica de origen térmico

Str

ess

StrainMódulos efectivos

Voigt Reuss Autoconsistente



T

thel

αεCσ

εεε

T αεCσ

CC

CC

:1-

-11CC

11-1

1

:

::

C~

CC~

C

C~

CC~

CCC

Regímenes mecánicos. Viscoplasticidad (Lebensohn & Tome 1993)

La deformación dentro del grano es originada por la acumulación de deformación de corte en los diferentes sistemas de deslizamiento

nLa deformación de corte simple está dada a través de una ley potencial (rate sensitive):

determina el endurecimiento y la reorientación cristalina

Tensión crítica de activación y endurecimiento del sistema de deslizamiento

Schmid tensor

b

x1

x2



s

ssij

s

s

si

sj

sj

si

ij mbnbn

2

n

so

s

o

n

so

resolvedo

s

σm :

)( sssso

,

Código: VPSC (Viscoplastic Selfconsistent)

Respuesta mecánica

Anisotropíaplastica

VPCS+FEM

VPSC

Evolución de textura

(cristalográfica y morfológica)

Deconvolución identificación

Deslizamiento y maclado Ref. principales: Lebensohn & Tome

Contribuciones: Zecevic, Knezevic, Wang, Signorelli, …



Regímenes mecánicos. Elastoplasticidad (Turner & Tome 1994)

La deformación dentro del grano está compuesta por una parte elástica y otra inelástica originada por la acumulación de deformación de corte en los diferentes sistemas de deslizamiento activos

b

x1

x2

Un sistema s se considera activo si satisface las siguientes dos relaciones (rate insensitive)

En deformaciones finitas …



As

ssklklijklij mC

ssss σm,σm ::

s

ssTppe mRRL,ECT,FFF :::

Código: EPSC (Elastoplastic Selfconsistent)

Transición elasto-plástica

fluencia

Termo-elástico plástico

EPSCTensiones internas y residuales

Superficie de fluencia

Deslizamiento y maclado

Anisotropía Ref. principales: Turner & TomeContribuciones: Zecevic, Neil,…





Presentación







• A1: Evolución de textura cristalográfica

• A2:Tensiones internas & residuales




A1: Evolución de textura cristalográfica

Concepto de Textura

Distribución preferencial de orientaciones cristalinas

Textura cristalográficaGranos equiaxiados con orientación

preferencial

Textura morfológicaGranos elongados sin orientación

preferencial



Determinación de la textura cristalográfica

Determinación de textura

Rayos-x; Neutrones; EBSD; Sync. ;…

Alta penetración (cms) Textura promedio

HIP

PO

KOW

AR

IN

TD

NEU

TRO

NES

RA

YOS-X

F. Malamud et al, (2018), JNM, 524-538

Zr

https://www.sciencedirect.com/science/journal/00223115

Introducción Plasticidad cristalina GND-VPFFT Efecto de tamaño FormabilidadOrientación Calibración ComentariosII Congreso Argentino de Técnicas Neutrónicas – TN2019 – 8-10 de Mayo 2019, Buenos Aires, Argentina


Evolución de textura & anisotropía mecánica - I

J. Nuclear Mat., (1996), 57-64

Acta Mater. (2007), 2137–2148



Evolución de textura & anisotropía mecánica - II

Acta mater. 49 (2001) 3085–3096

Int. J. of Plasticity 28 (2012) 124–140

(3D) 12 Aug 1999

X

Y Z

(3D) 12 Aug 1999

(3D) 12 Aug 1999

XY

Z

(3D) 12 Aug 1999

Evolución de la textura cristalográfica

VM=0 VM=0.27 VM=0.65

Defo

rmació

n h

ete

rog

én

ea

Ovalización: 15.4%

FEM(Forge3) + VPSC

1 elemento finito=

Agregado Policristalino(1000 granos)

Compresión de un cilindro de Zircaloy-4(IFIR-CEMEF-CEZUS)

Predicción a escala macroscópica

II Congreso Argentino de Técnicas Neutrónicas – TN2019 – 8-10 de Mayo 2019, Buenos Aires, ArgentinaII Congreso Argentino de Técnicas Neutrónicas – TN2019 – 8-10 de Mayo 2019, Buenos Aires, Argentina


Evolución de textura & anisotropía mecánica - III

Código: VPSC

Deriv. de Eshelby



Deconvolución / identificación

Modelling and Sim. in Mat. Sc. nd Eng. (2000), 193-209



A2: Tensiones internas & residuales

Tensiones internas & residuales

Tipo I – Macroscópica – promedio en una pequeña región a escala de la muestra. Aprox. constante a escala mesoscópica.

Tipo II – Intergranular – o - grano a grano - desvío respecto el promedio. Varían con la dirección cristalográfica <hkl>, dada la anisotropía de las constantes elásticas y la introducida por los mecanismos de deformación (deslizamiento y maclado). La resolución espacial se corresponde con el tamaño de grano.

Tipo III – Intragranular – varían dentro del grano. Fluctuaciones debido a la presencia de defectos, efectos de borde de grano, precipitados, etc.

Tipo II

Tipo IIITipo I

Co

mp

resi

ón

- t

ensi

ón

Co

mp

resi

ón

- t

ensi

ón




Difracción – medición de tensiones internas

Subconjunto de granos en condición de difractar (granos con el plano hkl perpendicular al vector n)

El espaciamiento dhkl está dado por la ley de Bragg

La diferencia entre el espaciamiento correspondiente al estado bajo carga y libre está asociado a una deformación elástica perpendicular al plano hkl

Pico de difracciónCorrimiento def. elas. Tensiones internasIntensidad frac. de vol. TexturaAncho fluc. def. elas. Dens. de dislocaciones

hkl0

hkl0

hklhkl

d

dd




Tensiones residuales en Zr (Barra)

Acta Metall. (1994) 4143-4153




Acta Metall. (2006) 4841-4852

Barra

a) Ba<a>+Pr<a>+Py(c+a)+TTW

b) Ba<a>+Py<a>+Py(c+a)+TTW



Metallurgical and Materials Transaction A (2008), 3134-3140


Repartición de la deformación



Comentarios: Modelado policristalino & Difracción de neutrones

• El modelado policristano (ELSC, EPSC, VPSC) requiere el conocimiento de la textura del material. Difracción de neutrones provee esa información. Textura en volumen, Gradientes de textura. Posibilidad de realización de ensayos in-situ.

• Información referente a la repartición de la deformación. Materiales bifásicos. Difracción de neutrones & modelado policristalino proveen información del estado interno detallado del material. Activación de modos de deformación; tensiones de activación & endurecimiento.

• Difracción de neutrones provee información para una validación profunda de los modelos policristalinos.

GRACIAS

Dr. Javier Signorelli

Investigador CONICETTel: 0341 485-3200 | Interno: 472Mail: [email protected]

presentación de powerpoint - fisica.cab.cnea.gov.ar€¦ · y la reorientación cristalina...

Documents