КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ ГРАНИЦ ДЕФОРМАЦИОННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ПОЛИКРИСТАЛЛОВ

Перевезенцев, В.Н.; Свирина, Ю.В.

doi:10.15593/perm.mech/2025.6.03

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ ГРАНИЦ ДЕФОРМАЦИОННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ПОЛИКРИСТАЛЛОВ

В.Н. Перевезенцев, Ю.В. Свирина

Сведения об авторах

В.Н. Перевезенцев
Институт проблем машиностроения РАН – филиал Федерального исследовательского центра «Институт прикладной физики имени А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук» (ИПМ РАН), Нижний Новгород, Российская Федерация
Ю.В. Свирина
Институт проблем машиностроения РАН – филиал Федерального исследовательского центра «Институт прикладной физики имени А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук» (ИПМ РАН), Нижний Новгород, Российская Федерация

https://doi.org/10.15593/perm.mech/2025.6.03

Методом компьютерного моделирования динамики дискретных дислокаций проанализированы условия формирования границ деформационного происхождения в процессе пластической деформации поликристалла. Формирование деформационных границ связано с появлением мезодефектов ротационного типа — стыковых дисклинаций на межзеренных границах и в стыках зерен. Накопление этих дефектов обусловлено различием собственных пластических деформаций смежных зерен, а также неоднородностью деформации в объеме отдельных зерен. Методом компьютерного моделирования показано, что возрастание мощности мезодефектов и упругих полей активирует процессы аккомодационной деформации, результатом которых становится формирование вторичных дислокационных структур в виде оборванных дислокационных границ. Результаты моделирования показывают, что мощность стыковой дисклинации монотонно возрастает в процессе пластической деформации и при достижении величины истинной деформации ε = 0,2 имеет тенденцию к выходу на постоянное значение, зависящее от величины внешнего напряжения. Мощность стыковой дисклинации оказывается тем больше, чем больше величина внешнего напряжения. Выход на насыщение объясняется перераспределением и выравниванием потоков решеточных дислокаций, попадающих на межзеренные границы трикристалла из объема сопрягающихся зерен, что приводит к выравниванию скоростей деформации между соседними зернами. Исследовано влияние ориентации оси растяжения на закономерности формирования и морфологию оборванной дислокационной границы. Показано, что формирующаяся деформационная граница демонстрируют тенденцию к залеганию вдоль направления оси растяжения, что соответствует экспериментальным данным. Полученные результаты имеют важное значение для развития физической теории фрагментации, лежащей в основе технологий получения мелкозернистых и субмикрокристаллических материалов с использованием различных схем интенсивной пластической деформации.

Ключевые слова

границы деформационного происхожденияфрагментациякомпьютерное моделирование ансамбля дислокацийстыковые дисклинациипластическая деформация

Computer simulation of strain-induced boundaries formation and evolution during plastic deformation of polycrystals

The conditions of formation of strain induced boundaries during plastic deformation of a polycrystal are analyzed using the method of discrete dislocations dynamics simulation. Formation of deformation boundaries is due to the appearance of rotational mesodefects — junction disclinations at intergranular boundaries and at grain junctions. Accumulation of these defects is caused by the difference in plastic strains of adjacent grains, as well as by the inhomogeneity of deformation in the volume of individual grains. The method of computer simulation shows that an increase in the strength of mesodefects and elastic fields activates the processes of accommodative deformation, which result in the formation of secondary dislocation structures in the form of broken dislocation boundaries. The simulation results show that the strength of the junction disclination monotonically increases during plastic deformation and, upon reaching the value of true deformation ε ≈ 0.2, tends to reach a constant value depending on the magnitude of external stress. The strength of the junction disclination is the greater, the greater the value of the external stress. The saturation is explained by the redistribution and alignment of the flows of lattice dislocations incoming in the intergranular boundaries of the tricrystal from the volume of conjugated grains, which leads to the equalization of the strain rates between neighboring grains. The effect of the orientation of the extension axis on the patterns of formation and morphology of the broken dislocation boundary is studied. It is shown that the forming strain induced boundary exhibits a tendency to lie along the direction of the extension axis, which corresponds to the experimental data. The obtained results are of great importance for the development of the physical theory of fragmentation, which underlies the technologies for obtaining fine-grained and submicrocrystalline materials using various schemes of severe plastic deformation.

Keywords

strain-induced boundariesfragmentationcomputer simulation of dislocation ensemblejunction disclinationsplastic deformation

Литература

1.Рыбин В.В., Зисман А.А., Золоторевский Н.Ю. Стыковые дисклинации в пластически деформируемых поликристаллах. // ФТТ. – 1985. – 27. – №1. – С. 181-186. Scholar
2.Romanov A.E., Kolesnikova A.L. Application of disclination concept to solid structures // Progress in Materials Science. – 2009. – Vol. 54. – P. 740–769. doi:10.1016/ j.pmatsci.2009.03.002 Scholar
3.Колесникова А.Л., Сорока Р.М., Романов А.Е. Дефекты в континуальной упругой среде: классификация, поля и физические аналоги // Materials Physics and Mechanics. – 2013. – 17. – С. 71-91. Scholar
4.Рыбин В.В., Большие пластические деформации и разрушение металлов. – М.: Наука, 1986. – 224 с. Scholar
5.Hansen N., Huang X., and Winther G. Effect of grain boundaries and grain orientation on structure and properties // Metal. Mater. Trans. A. – 2011. – 42A. – p. 613-625. DOI:https://doi.org/10.1007/s11661-010-0292-5 Scholar
6.Orientation dependence of the deformation microstructure in compressed aluminum / G.M. Le, [et al.]. // Scr. Mater. – 2012. – 66. – p. 359-362. DOI: 10.1016/ j.scriptamat.2011.11.034 Scholar
7.The effect of crystallographic orientation on the transformation of the structure in aluminum single crystals upon exposure to shock waves / Tsenev N. K. [et al.] // Materials Letters. – 2021. – Vol. 302. – P. 130319. DOI: 10.1016/j.matlet.2021.130319 Scholar
8.Особенности эволюции микроструктуры меди при растяжении, обусловленные формированием кристаллографической текстуры / Золоторевский Н. Ю., [и др.] // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Физико-математические науки. – 2022. – Т. 15, № 4. – С. 147-155. Scholar
9.Утяшев Ф. З., Рааб Г. И., Валитов В. А. Деформационное наноструктурирование металлов и сплавов. СПб.: Наукоемкие технологии, 2020. – 185 с. Scholar
10.Edalati K. et al. Severe plastic deformation for producing superfunctional ultrafine-grained and heterostructured materials: an interdisciplinary review //Journal of Alloys and Compounds. – 2024. – Т. 1002. – P. 174667. DOI: 10.1016/j.jallcom.2024.174667 Scholar
11.Habba M. I. A., Ahmed M. M. Z. Friction Stir Welding of Dissimilar Aluminum and Copper Alloys: A Review of Strategies for Enhancing Joint Quality //Journal of Advanced Joining Processes. – 2025. – P. 100293. Scholar
12.Langdon T. G. developments in the creep of materials over a period of more than a century //Journal of Materials Science. – 2025. – P. 1-19. Scholar
13.Глезер А. М. [и др.] Физика больших пластических деформаций //Успехи физических наук. – 2023. – Т. 193. – №. 1. – С. 33-62. Scholar
14.Perevezentsev V.N., Sarafanov G.F., Svirina J.V. Computer simulation of the dislocation ensemble kinetics in the elastic fields of mesodefects and fragmentation processes during plastic deformation // Materials Physics and Mechanics. – 2014. – Т. 21. № 1. – С. 78-98. Scholar
15.Rzhavtsev E.A., Gutkin M. Yu. The dynamics of dislocation wall generation in metals and alloys under shock loading // Scripta Mater.- 2015. - V. 100. - P. 102–105. Scholar
16.Bachurin D.V., et al.. Ultrasound influence on behavior of disordered dislocation systems in a crystal with non-equilibrium grain boundaries. // Lett. Mater., - 2016, 6(3) 183-188 Scholar
17.Perevezentsev, V. N., Sarafanov G. F. The screening of mesodefects stress fields by dislocation ensemble and misorientation structure formation during plastic deformation // Reviews on Advanced Materials Science. – 2012. – Vol. 30, No. 1. – P. 73-89. Scholar
18.Перевезенцев В.Н., Рыбин В.В. Структура и свойства границ зерен. – Н.Новгород: Изд-во ННГУ им. Н.И.Лобачевского, 2012. – 306 с. Scholar
19.Кириков С. В., Пупынин А. С., Свирина Ю. В. Анализ локальных полей упругих напряжений, генерируемых ротационно-сдвиговыми мезодефектами вблизи стыков зерен // Проблемы прочности и пластичности. – 2021. – Т. 83, № 2. – С. 235-244. – DOI 10.32326/1814-9146-2021-83-2-235-244. Scholar
20.Rybin V. V., Perevezentsev V. N., Svirina Y. V. Structural transformations at the initial stages of fragmentation of plastically deformed polycrystals: A computer experiment // Technical Physics. – 2017. – Vol. 62, No. 5. – P. 745-754. – DOI 10.1134/S1063784217050255. Scholar
21.Sarafanov G. F., Perevezentsev V. N. Relaxation of the elastic field of a crystal during the subgrain boundary formation induced by plastic deformation // Russian Metallurgy (Metally). – 2017. – Vol. 2017, No. 10. – P. 775-778. – DOI 10.1134/S0036029517100196. Scholar
22.Van der Giessen E., Needleman A. Discrete dislocation plasticity: a simple planar model // Modelling Simul.Mater. Sci. Eng. – 1995. – 3.– p. 689–735 Scholar
23.Свирина Ю. В., Перевезенцев В. Н. Анализ влияния переползания дислокаций на формирование оборванной субграницы в упругом поле клиновой дисклинации // Деформация и разрушение материалов. – 2015. – № 10. – С. 10-13. Scholar
24.Хирт Дж., Лоте И. Теория дислокаций. - М.: Атомиздат, 1972. - 599с. Scholar
25.Kirikov S. V., Perevezentsev V. N., Svirina Y. V. Computer simulation of the kinetics of accumulation of primary mesodefects at grain boundaries and their junctions // Russian Metallurgy (Metally). – 2018. – Vol. 2018, No. 10. – P. 904-909. – DOI 10.1134/S0036029518100105. Scholar
26.Rybin, V. V. Regularities of Mesostructures Development in Metals in the Course of Plastic Deformation // Вопросы материаловедения. – 2003. – No. 1(33). – P. 9-28. Scholar
27.Pantleon, W. Deformation-induced boundaries and their disorientations // Вопросы материаловедения. – 2003. – No. 1(33). – P. 142-150. Scholar
28.Salisbury G., Zherebtsov S., Mironov S., Belyakov A. Changes in misorientations of grain boundaries in titanium during deformation// Materials Characterization. – 2010. – T. 61. – № 7. – C. 732-739. DOI:10.1016/j.matchar.2010.04.005. Scholar

1.Rybin V. V., Zisman A.A., Zolotorevsky N.Yu. Stykovie disklinacii v plasticheski deformiruemih polikristallah [Junction disclination in plastically deformed polycristals] // Physics of the Solid State. – 1985. – 27. – №1. – pp. 181-186. Scholar
2.Romanov A.E., Kolesnikova A.L. Application of disclination concept to solid structures // Progress in Materials Science. – 2009. – Vol. 54. – P. 740–769. doi:10.1016/ j.pmtasci.2009.03.002 Scholar
3.Kolesnikova A.L, Soroka R.M., Romanov A.E. Defecty v kontinual’noi uprugoi srede: klassifikaciya, polya I fizicheskie analogi [Defects in continual elastic medium: classification, fields and physical analogues] // Materials Physics and Mechanics. – 2013. – 17. – pp. 71-91. Scholar
4.Rybin V. V., Bolshie plasticheskie deformacii I razrushenie metallov [Large plastic deformations and fracture of metals] – M.: Nauka, 1986. – 224 c. Scholar
5.Hansen N., Huang X., and Winther G. Effect of grain boundaries and grain orientation on structure and properties // Metal. Mater. Trans. A. – 2011. – 42A. – p. 613-625. DOI:https://doi.org/10.1007/s11661-010-0292-5 Scholar
6.Orientation dependence of the deformation microstructure in compressed aluminum / G.M. Le, [et al.]. // Scr. Mater. – 2012. – 66. – p. 359-362. DOI: 10.1016/ j.scriptamat.2011.11.034 Scholar
7.The effect of crystallographic orientation on the transformation of the structure in aluminum single crystals upon exposure to shock waves / Tsenev N. K. [et al.] // Materials Letters. – 2021. – Vol. 302. – P. 130319. DOI: 10.1016/j.matlet.2021.130319 Scholar
8.Osobennosti evolucii mikrostruktury medi pri rastyazhenii, obuslovlennye formirovaniem kristallograficheskoi tekstury [The effect of crystallographic texture formation on the features of microstructure evolution in tensile-strained copper] / Zolotorevsky N.Yu. [et al.] // St. Petersburg state polytechnical university journal. physics and mathematics – 2022. – v. 15, № 4. – pp. 147-155. Scholar
9.Utyashev F.Z, Raab G.I., Valitov V.A. Deformacionnoe nanostrukturirovanie metallov I splavov [Deformation nanostructuring of metals and alloys]. St. Petersburg.: Naukoemkie tekhnologii, 2020. – 185 p. Scholar
10.Edalati K. et al. Severe plastic deformation for producing superfunctional ultrafine-grained and heterostructured materials: an interdisciplinary review //Journal of Alloys and Compounds. – 2024. – T. 1002. – P. 174667. DOI: 10.1016/j.jallcom.2024.174667 Scholar
11.Habba M. I. A., Ahmed M. M. Z. Friction Stir Welding of Dissimilar Aluminum and Copper Alloys: A Review of Strategies for Enhancing Joint Quality //Journal of Advanced Joining Processes. – 2025. – P. 100293. Scholar
12.Langdon T. G. developments in the creep of materials over a period of more than a century //Journal of Materials Science. – 2025. – P. 1-19. Scholar
13.Glezer A. M. [et al.] Fizika bol’shikh plasticheskikh deformacii [Physics of severe plastic deformation] // Uspekhi Fizicheskikh Nauk, Russian Academy of Sciences. – 2023. – v. 193. – №. 1. – pp. 33-62. Scholar
14.Perevezentsev V.N., Sarafanov G.F., Svirina J.V. Computer simulation of the dislocation ensemble kinetics in the elastic fields of mesodefects and fragmentation processes during plastic deformation // Materials Physics and Mechanics. – 2014. – T. 21. № 1. – C. 78-98. Scholar
15.Rzhavtsev E.A., Gutkin M. Yu. The dynamics of dislocation wall generation in metalls and alloys under shock loading // Scripta Mater.- 2015. - V. 100. - P. 102–105. Scholar
16.Bachurin D.V., et al.. Ultrasound influence on behavior of disordered dislocation systems in a crystal with non-equilibrium grain boundaries. // Lett. Mater., - 2016, 6(3) 183-188 Scholar
17.Perevezentsev, V. N., Sarafanov G. F. The screening of mesodefects stress fields by dislocation ensemble and misorientation structure formation during plastic deformation // Reviews on Advanced Materials Science. – 2012. – Vol. 30, No. 1. – P. 73-89. Scholar
18.Perevezentsev V.N., Rybin V.V. Struktura I svoistva granic zeren [Structure and properties of grain boundaries]. – Nizhny Novgorod: 2012. – 306 p. Scholar
19.Kirikov S.V., Pupynin A.S., Svirina J.V. Analiz lokal’nykh polei uprugikh napryazhenii, generiruemkih rotacionno-sdvigovimi mezodefektami vbizli stykov zeren [Analysis of local fields of elastic stress generated by rotational-shear mesodefects near the junctions of grains] // Problems of strength and plasticity. – 2021. – v. 83, № 2. – pp. 235-244. – DOI 10.32326/1814-9146-2021-83-2-235-244. Scholar
20.Rybin V. V., Perevezentsev V. N., Svirina Y. V. Structural transformations at the initial stages of fragmentation of plastically deformed polycrystals: A computer experiment // Technical Physics. – 2017. – Vol. 62, No. 5. – P. 745-754. – DOI 10.1134/S1063784217050255. Scholar
21.Sarafanov G. F., Perevezentsev V. N. Relaxation of the elastic field of a crystal during the subgrain boundary formation induced by plastic deformation // Russian Metallurgy (Metally). – 2017. – Vol. 2017, No. 10. – P. 775–778. – DOI 10.1134/S0036029517100196. Scholar
22.Van der Giessen E., Needleman A. Discrete dislocation plasticity: a simple planar model // Modelling Simul.Mater. Sci. Eng. – 1995. – 3.– p. 689–735 Scholar
23.Svirina J.V., Perevezentsev V.N. Analiz vliyaniya perepolzaniya dislokacii na formirovanie oborvannoi subgranicy v uprugom pole klinovoi disklinacii [Influence analysis of dislocation climb on formation of broken sub-boundary in elastic field of wedge disclination] // Deformaciya I razrushenie materialov - Russian metallurgy (metally). – 2015. – № 10. – pp. 10-13. Scholar
24.Hirth J P & Lothe J. Theory of dislocations. New York: McGraw-Hill, 1968 780 p. Scholar
25.Kirikov S. V., Perevezentsev V. N., Svirina Y. V. Computer simulation of the kinetics of accumulation of primary mesodefects at grain boundaries and their junctions // Russian Metallurgy (Metally). – 2018. – Vol. 2018, No. 10. – P. 904-909. – DOI 10.1134/S0036029518100105. Scholar
26.Rybin, V. V. Regularities of Mesostructures Development in Metals in the Course of Plastic Deformation // Вопросы материаловедения. – 2003. – No. 1(33). – P. 9-28. Scholar
27.Pantleon, W. Deformation-induced boundaries and their disorientations // Вопросы материаловедения. – 2003. – No. 1(33). – P. 142-150. Scholar
28.Salisbury G., Zherebtsov S., Mironov S., Belyakov A. Changes in misorientations of grain boundaries in titanium during deformation// Materials Characterization. – 2010. – T. 61. – № 7. – C. 732-739. DOI:10.1016/ j.matchar.2010.04.005 Scholar

Другие статьи выпуска

Весь выпуск (№ 6, 2025)

Скачать PDF

Информация о статье

Опубликована: 29.12.2025
В выпуске: 29.12.2025
Выпуск: № 6 (2025)

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ ГРАНИЦ ДЕФОРМАЦИОННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ПОЛИКРИСТАЛЛОВ

Аннотация

Ключевые слова

Computer simulation of strain-induced boundaries formation and evolution during plastic deformation of polycrystals

Keywords

Литература

Другие статьи выпуска

Информация о статье