In this work, we have employed the strain gradient plasticity theory to investigate the effect of material size on the deformation behavior in metal forming process. Flow stress is expressed in terms of strain, strain gradient (spatial derivative of strain) and intrinsic material length. The least square method coupled with strain gradient plasticity was used to calculate the components of strain gradient at each element of material. For demonstrating the size effect, the proposed approach has been applied to plane compression process and micro rolling process. Results show when the characteristic length of the material comes to the intrinsic material length, the effect of strain gradient is noteworthy. For the microcompression, the additional work hardening at higher strain gradient regions results in uniform distribution of strain. In the case of micro-rolling, the strain gradient is remarkable at the exit section where the actual reduction of the rolling finishes and subsequently strong work hardening take places at the section. This results in a considerable increase in rolling force. Rolling force with the strain gradient plasticity considered in analysis increases by 20% compared to that with conventional plasticity theory.
To reflect the size effect of material $(1\sim15{\mu}m)$ during plastic deformation of polycrystalline copper, a constitutive equation which includes the strain gradient plasticity theory and intrinsic material length model is coupled with the finite element analysis and applied to plane strain deformation problem. The method of least square has been used to calculate the strain gradient at each element during deformation and the effect of distributed force on the strain gradient is investigated as well. It shows when material size is less than the intrinsic material length $(1.54{\mu}m)$, its deformation behavior is quite different compared with that computed from the conventional plasticity. The generation of strain gradient is greatly suppressed, but it appears again as the material size increases. Results also reveal that the strain gradient leads to deformation hardening. The distributed force plays a role to amplify the strain gradient distribution.
Recent experiments have shown the 'size effects' in micro/nano scale. But the classical plasticity theories can not predict these size dependent deformation behaviors because their constitutive models have no characteristic material length scale. The Mechanism - based Strain Gradient(MSG) plasticity is proposed to analyze the non-uniform deformation behavior in micro/nano scale. The MSG plasticity is a multi-scale analysis connecting macro-scale deformation of the Statistically Stored Dislocation(SSD) and Geometrically Necessary Dislocation(GND) to the meso-scale deformation using the strain gradient. In this research we present a study of nano-indentation by the MSG plasticity. Using W. D. Nix and H. Gao s model, the analytic solution(including depth dependence of hardness) is obtained for the nano indentation , and furthermore it validated by the experiments.
The Fleck-Hutchinson theory on strain gradient plasticity (SGP), proposed in Adv. Appl Mech 33 (1997) 295, has recently been reformulated by adopting the strategy of decomposing the second order strain presented by Lam et al. in J Mech Pays Solids 51 (2003) 1477. The newly built SGP satisfies the non negativity of plastic dissipation, which is still an outstanding issue in other SGP theories. Furthermore, it explicitly shows how elastic strain gradients and corresponding elastic characteristic length scales come into play in general elastic-plastic loading histories. In this study, the relation between elastic length scales and plastic length scales is investigated by taking wire torsion as an example. It is concluded that the size effects arising when two sets of length scales are of the same order are essentially elastic instead of plastic.
A strain-gradient crystal plasticity constitutive model was developed in order to predict the Hall-Petch behavior of a Ni-base polycrystalline superalloy. The constitutive model involves statistically stored dislocation and geometrically necessary dislocation densities, which were incorporated into the Bailey-Hirsch type flow stress equation with six strength interaction coefficients. A strain-gradient term (called slip-system lattice incompatibility) developed by Acharya was used to calculate the geometrically necessary dislocation density. The description of Kocks-Argon-Ashby type thermally activated strain rate was also used to represent the shear rate of an individual slip system. The constitutive model was implemented in a user material subroutine for crystal plasticity finite element method simulations. The grain size dependence of the flow stress (viz., the Hall-Petch behavior) was predicted for a Ni-base polycrystalline superalloy NIMONIC PE16. Simulation results showed that the present constitutive model fairly reasonably predicts 0.2%-offset yield stresses in a limited range of the grain size.
Functionally graded steels (FGSs) are a family of functionally graded materials (FGMs) consisting of ferrite (${\alpha}$), austenite (${\gamma}$), bainite (${\beta}$) and martensite (M) phases placed on each other in different configurations and produced via electroslag remelting (ESR). In this research, the flow stress of dual layer austenitic-martensitic functionally graded steels under hot deformation loading has been modeled considering the constitutive equations which describe the continuous effect of temperature and strain rate on the flow stress. The mechanism-based strain gradient plasticity theory is used here to determine the position of each layer considering the relationship between the hardness of the layer and the composite dislocation density profile. Then, the released energy of each layer under a specified loading condition (temperature and strain rate) is related to the dislocation density utilizing the mechanism-based strain gradient plasticity theory. The flow stress of the considered FGS is obtained by using the appropriate coefficients in the constitutive equations of each layer. Finally, the theoretical model is compared with the experimental results measured in the temperature range $1000-1200^{\circ}C$ and strain rate 0.01-1 s-1 and a sound agreement is found.
미크론 단위의 크기를 갖는 구조물의 소성변형에서 나타나는 길이 효과를 고려하여 유한요소 해석을 하기 위하여 변형률 구배 소성이론을 이용하는 탄소성 유한요소 모델링 및 해석법을 제안하였다. 기존의 연구에서 주로 고차, 고자유도 및 혼합요소, 초 요소 등을 필요로 하였던 것에 비하여 본 논문에서는 이들을 배제하는 변위법 저차 평면 요소 및 삼차원 요소를 도입하였다. 이는 비선형 증분 해석의 프레임워크에서 계산된 소성 변형률의 절점 평균값으로 보간하여 적분점에서의 변형률 구배를 구하고 테일러 전위 모델에 의한 변형률 경화 구성방정식을 적용하므로서 가능하였다. 제안된 방법론은 선형 삼각 및 사각요소, 선형 사면체, 육면체 요소에 대해 적용되었으며 마이크로 굽힘, 마이크로 비틀림, 마이크로 기공과 같은 대표적인 길이 스케일 문제를 통하여 수치적으로 검증하였다. 본 논문에서 제안한 방법은 계산이 매우 쉬우면서도 실험값들과 비교해 볼 때, 변형률 구배 소성이론 즉, 길이 효과를 잘 나타내어 주었다.
In this paper, the strain localization of voided ductile material has been analyzed by nonlocal plasticity formulation in which the yield strength not only depends on an equivalent plastic strain measure (hardening parameter), but also on the Laplacian thereof. The gradient terms in yield criterion show an important role on modeling strain-softening phenomena of material. The influence of the mesh size on the elastic -plastic deformation behavior and the effect of the characteristic length parameter for localization prediction are also investigated. The proposed nonlocal plasticity shows that the load -strain curves converge to one curve. Results using nonlocal plasticity also exhibit the dependence of mesh size is much less sensitivity than that for a corresponding local plasticity formulation.
A strain-gradient crystal plasticity finite element method(SGCP-FEM) was utilized to simulate the compressive deformation behaviors of single-slip, (111)[$10{\bar{1}}$], oriented FCC single-crystal micro-pillars with two different slip-plane inclination angles, $36.3^{\circ}$ and $48.7^{\circ}$, and the simulation results were compared with those from conventional crystal plasticity finite element method(CP-FEM) simulations. For the low slip-plane inclination angle, a macroscopic diagonal shear band formed along the primary slip direction in both the CP- and SGCP-FEM simulations. However, this shear deformation was limited in the SGCP-FEM, mainly due to the increased slip resistance caused by local strain gradients, which also resulted in strain hardening in the simulated flow curves. The development of a secondly active slip system was altered in the SGCP-FEM, compared to the CP-FEM, for the low slip-plane inclination angle. The shear deformation controlled by the SGCP-FEM reduced the overall crystal rotation of the micro-pillar and limited the evolution of the primary slip system, even at 10 % compression.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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