Skip to main content

2019 | OriginalPaper | Buchkapitel

22. Finite Element Analysis of Thermodynamically Consistent Strain Gradient Plasticity Theory and Applications

verfasst von : George Z. Voyiadjis, Yooseob Song

Erschienen in: Handbook of Nonlocal Continuum Mechanics for Materials and Structures

Verlag: Springer International Publishing

Aktivieren Sie unsere intelligente Suche, um passende Fachinhalte oder Patente zu finden.

search-config
loading …

Abstract

In this chapter, a coupled thermomechanical gradient-enhanced continuum plasticity theory containing the flow rules of the grain interior and grain boundary areas is developed within the thermodynamically consistent framework. Two-dimensional finite element implementation for the proposed gradient plasticity theory is carried out to examine the micro-mechanical and thermal characteristics of small-scale metallic volumes. The proposed model is conceptually based on the dislocation interaction mechanisms and thermal activation energy. The thermodynamic conjugate microstresses are decomposed into dissipative and energetic components; correspondingly, the dissipative and energetic length scales for both the grain interior and grain boundary are incorporated in the proposed model, and an additional length scale related to the geometrically necessary dislocation-induced strengthening is also included. Not only the partial heat dissipation caused by the fast transient time but also the distribution of temperature caused by the transition from the plastic work to the heat is included into the coupled thermomechanical model by deriving a generalized heat equation. The derived constitutive framework and two-dimensional finite element model are validated through the comparison with the experimental observations conducted on microscale thin films. The proposed enhanced model is examined by solving the simple shear problem and the square plate problem to explore the thermomechanical characteristics of small-scale metallic materials. Finally, some significant conclusions are presented.

Sie haben noch keine Lizenz? Dann Informieren Sie sich jetzt über unsere Produkte:

Springer Professional "Wirtschaft+Technik"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Wirtschaft+Technik" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 102.000 Bücher
  • über 537 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Automobil + Motoren
  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Elektrotechnik + Elektronik
  • Energie + Nachhaltigkeit
  • Finance + Banking
  • Management + Führung
  • Marketing + Vertrieb
  • Maschinenbau + Werkstoffe
  • Versicherung + Risiko

Jetzt Wissensvorsprung sichern!

Springer Professional "Technik"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Technik" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 67.000 Bücher
  • über 390 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Automobil + Motoren
  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Elektrotechnik + Elektronik
  • Energie + Nachhaltigkeit
  • Maschinenbau + Werkstoffe




 

Jetzt Wissensvorsprung sichern!

Anhänge
Nur mit Berechtigung zugänglich
Literatur
Zurück zum Zitat Abaqus, User’s Manual (Version 6.12) (Dassault Systemes Simulia Corporation, Providence, 2012) Abaqus, User’s Manual (Version 6.12) (Dassault Systemes Simulia Corporation, Providence, 2012)
Zurück zum Zitat L. Anand, M.E. Gurtin, S.P. Lele, C. Gething, J. Mech. Phys. Solids 53, 8 (2005) L. Anand, M.E. Gurtin, S.P. Lele, C. Gething, J. Mech. Phys. Solids 53, 8 (2005)
Zurück zum Zitat D.J. Benson, H.H. Fu, M.A. Meyers, Mater. Sci. Eng. A 319, 319–321 (2001) D.J. Benson, H.H. Fu, M.A. Meyers, Mater. Sci. Eng. A 319, 319–321 (2001)
Zurück zum Zitat T. Bergeman, J. Qi, D. Wang, Y. Huang, H.K. Pechkis, E.E. Eyler, P.L. Gould, W.C. Stwalley, R.A. Cline, J.D. Miller, D.J. Heinzen, J. Phys. B-Atom. Mol. Opt. Phys. 39, 19 (2006)CrossRef T. Bergeman, J. Qi, D. Wang, Y. Huang, H.K. Pechkis, E.E. Eyler, P.L. Gould, W.C. Stwalley, R.A. Cline, J.D. Miller, D.J. Heinzen, J. Phys. B-Atom. Mol. Opt. Phys. 39, 19 (2006)CrossRef
Zurück zum Zitat S.D. Brorson, A. Kazeroonian, J.S. Moodera, D.W. Face, T.K. Cheng, E.P. Ippen, M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, Phys. Rev. Lett. 64, 18 (1990)CrossRef S.D. Brorson, A. Kazeroonian, J.S. Moodera, D.W. Face, T.K. Cheng, E.P. Ippen, M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, Phys. Rev. Lett. 64, 18 (1990)CrossRef
Zurück zum Zitat H.B. Callen, Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics (Wiley, Hoboken, 1985)MATH H.B. Callen, Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics (Wiley, Hoboken, 1985)MATH
Zurück zum Zitat W.A.T. Clark, R.H. Wagoner, Z.Y. Shen, T.C. Lee, I.M. Robertson, H.K. Birnbaum, Scr. Met. Mater. 26, 2 (1992)CrossRef W.A.T. Clark, R.H. Wagoner, Z.Y. Shen, T.C. Lee, I.M. Robertson, H.K. Birnbaum, Scr. Met. Mater. 26, 2 (1992)CrossRef
Zurück zum Zitat B.D. Coleman, W. Noll, Arch. Ration. Mech. Anal. 13, 3 (1963) B.D. Coleman, W. Noll, Arch. Ration. Mech. Anal. 13, 3 (1963)
Zurück zum Zitat D. Faghihi, G.Z. Voyiadjis, J. Eng. Mater-T Asme. 136, 1 (2014) D. Faghihi, G.Z. Voyiadjis, J. Eng. Mater-T Asme. 136, 1 (2014)
Zurück zum Zitat N.A. Fleck, J.W. Hutchinson, J. Mech. Phys. Solids 49, 10 (2001) N.A. Fleck, J.W. Hutchinson, J. Mech. Phys. Solids 49, 10 (2001)
Zurück zum Zitat N.A. Fleck, G.M. Muller, M.F. Ashby, J.W. Hutchinson, Acta Metall. Mater. 42, 2 (1994) N.A. Fleck, G.M. Muller, M.F. Ashby, J.W. Hutchinson, Acta Metall. Mater. 42, 2 (1994)
Zurück zum Zitat N.A. Fleck, J.W. Hutchinson, J.R. Willis, P. Roy. Soc. A-Math. Phy. 470, 2170 (2014)CrossRef N.A. Fleck, J.W. Hutchinson, J.R. Willis, P. Roy. Soc. A-Math. Phy. 470, 2170 (2014)CrossRef
Zurück zum Zitat N.A. Fleck, J.W. Hutchinson, J.R. Willis, J. Appl. Mech-T Asme. 82, 7 (2015)CrossRef N.A. Fleck, J.W. Hutchinson, J.R. Willis, J. Appl. Mech-T Asme. 82, 7 (2015)CrossRef
Zurück zum Zitat P. Fredriksson, P. Gudmundson, Model. Simul. Mater. Sci. 15, 1 (2007)CrossRef P. Fredriksson, P. Gudmundson, Model. Simul. Mater. Sci. 15, 1 (2007)CrossRef
Zurück zum Zitat A. Garroni, G. Leoni, M. Ponsiglione, J. Eur. Math. Soc. 12, 5 (2010) A. Garroni, G. Leoni, M. Ponsiglione, J. Eur. Math. Soc. 12, 5 (2010)
Zurück zum Zitat S. Giacomazzi, F. Leroi, C. L'Henaff, J.J. Joffraud, Lett. Appl. Microbiol. 38, 2 (2004)CrossRef S. Giacomazzi, F. Leroi, C. L'Henaff, J.J. Joffraud, Lett. Appl. Microbiol. 38, 2 (2004)CrossRef
Zurück zum Zitat M.E. Gurtin, J. Mech. Phys. Solids 56, 2 (2008) M.E. Gurtin, J. Mech. Phys. Solids 56, 2 (2008)
Zurück zum Zitat M.E. Gurtin, L. Anand, J. Mech. Phys. Solids 53, 7 (2005) M.E. Gurtin, L. Anand, J. Mech. Phys. Solids 53, 7 (2005)
Zurück zum Zitat M.E. Gurtin, E. Fried, L. Anand, The Mechanics and Thermodynamics of Continua (Cambridge University Press, Cambridge, 2010)CrossRef M.E. Gurtin, E. Fried, L. Anand, The Mechanics and Thermodynamics of Continua (Cambridge University Press, Cambridge, 2010)CrossRef
Zurück zum Zitat S. Han, T. Kim, H. Lee, H. Lee, Electronics System-Integration Technology Conference, 2008. ESTC 2008. 2nd (2008) S. Han, T. Kim, H. Lee, H. Lee, Electronics System-Integration Technology Conference, 2008. ESTC 2008. 2nd (2008)
Zurück zum Zitat J.P. Hirth, J. Lothe, Theory of Dislocations (Krieger Publishing Company, 1982). ISBN: 0894646176, 9780894646171 J.P. Hirth, J. Lothe, Theory of Dislocations (Krieger Publishing Company, 1982). ISBN: 0894646176, 9780894646171
Zurück zum Zitat Y. Huang, J. Qi, H.K. Pechkis, D. Wang, E.E. Eyler, P.L. Gould, W.C. Stwalley, J. Phys. B-Atom. Mol. Opt. Phys. 39, 19 (2006)CrossRef Y. Huang, J. Qi, H.K. Pechkis, D. Wang, E.E. Eyler, P.L. Gould, W.C. Stwalley, J. Phys. B-Atom. Mol. Opt. Phys. 39, 19 (2006)CrossRef
Zurück zum Zitat J.W. Hutchinson, Acta. Mech. Sinica-Prc. 28, 4 (2012) J.W. Hutchinson, Acta. Mech. Sinica-Prc. 28, 4 (2012)
Zurück zum Zitat J.S. Hwang, H.L. Park, T.W. Kim, H.J. Lee, Phys. Status Solidi a-Appl. Res. 148, 2 (1995)CrossRef J.S. Hwang, H.L. Park, T.W. Kim, H.J. Lee, Phys. Status Solidi a-Appl. Res. 148, 2 (1995)CrossRef
Zurück zum Zitat A.M. Ivanitsky, D.A. Kadakov, Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved Radiofiz. 26, 9 (1983) A.M. Ivanitsky, D.A. Kadakov, Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved Radiofiz. 26, 9 (1983)
Zurück zum Zitat T.C. Lee, I.M. Robertson, H.K. Birnbaum, Scr. Metall. 23, 5 (1989) T.C. Lee, I.M. Robertson, H.K. Birnbaum, Scr. Metall. 23, 5 (1989)
Zurück zum Zitat W.J. Liu, K. Saanouni, S. Forest, P. Hu, J. Non-Equil. Thermody. 42, 4 (2017)CrossRef W.J. Liu, K. Saanouni, S. Forest, P. Hu, J. Non-Equil. Thermody. 42, 4 (2017)CrossRef
Zurück zum Zitat H. Mecking, U.F. Kocks, Acta Metall. 29, 1865–1875 (1981) H. Mecking, U.F. Kocks, Acta Metall. 29, 1865–1875 (1981)
Zurück zum Zitat M.A. Meyers, A. Mishra, D.J. Benson, Prog. Mater. Sci. 51, 427 (2006)CrossRef M.A. Meyers, A. Mishra, D.J. Benson, Prog. Mater. Sci. 51, 427 (2006)CrossRef
Zurück zum Zitat L. Nicola, Y. Xiang, J.J. Vlassak, E. Van der Giessen, A. Needleman, J. Mech. Phys. Solids 54, 10 (2006)CrossRef L. Nicola, Y. Xiang, J.J. Vlassak, E. Van der Giessen, A. Needleman, J. Mech. Phys. Solids 54, 10 (2006)CrossRef
Zurück zum Zitat T. Ohmura, A.M. Minor, E.A. Stach, J.W. Morris, J. Mater. Res. 19, 12 (2004) T. Ohmura, A.M. Minor, E.A. Stach, J.W. Morris, J. Mater. Res. 19, 12 (2004)
Zurück zum Zitat P.A. Parilla, M.F. Hundley, A. Zettl, Solid State Commun. 87, 6 (1993) P.A. Parilla, M.F. Hundley, A. Zettl, Solid State Commun. 87, 6 (1993)
Zurück zum Zitat H.L. Park, S.H. Lee, T.W. Kim, Compd. Semicond. 1995, 145 (1996) H.L. Park, S.H. Lee, T.W. Kim, Compd. Semicond. 1995, 145 (1996)
Zurück zum Zitat J.M. Pipard, N. Nicaise, S. Berbenni, O. Bouaziz, M. Berveiller, Comput. Mater. Sci. 45, 604–610 (2009)CrossRef J.M. Pipard, N. Nicaise, S. Berbenni, O. Bouaziz, M. Berveiller, Comput. Mater. Sci. 45, 604–610 (2009)CrossRef
Zurück zum Zitat X. Qing, G. Xingming, Int. J. Solids Struct. 43, 25–26 (2006) X. Qing, G. Xingming, Int. J. Solids Struct. 43, 25–26 (2006)
Zurück zum Zitat W.A. Soer, K.E. Aifantis, J.T.M. De Hosson, Acta Mater. 53, 17 (2005)CrossRef W.A. Soer, K.E. Aifantis, J.T.M. De Hosson, Acta Mater. 53, 17 (2005)CrossRef
Zurück zum Zitat Y. Song, G.Z. Voyiadjis, Int. J. Solids Struct. 134, 195–215 (2018a) Y. Song, G.Z. Voyiadjis, Int. J. Solids Struct. 134, 195–215 (2018a)
Zurück zum Zitat Y. Song, G.Z. Voyiadjis, J. Theor. App. Mech-Pol. 56, 2 (2018b) Y. Song, G.Z. Voyiadjis, J. Theor. App. Mech-Pol. 56, 2 (2018b)
Zurück zum Zitat S. Sun, B.L. Adams, W.E. King, Philos. Mag. A 80, 1 (2000) S. Sun, B.L. Adams, W.E. King, Philos. Mag. A 80, 1 (2000)
Zurück zum Zitat R. Venkatraman, P.R. Besser, J.C. Bravman, S. Brennan, J. Mater. Res. 9, 2 (1994)CrossRef R. Venkatraman, P.R. Besser, J.C. Bravman, S. Brennan, J. Mater. Res. 9, 2 (1994)CrossRef
Zurück zum Zitat G.Z. Voyiadjis, A.H. Almasri, T. Park, Mech. Res. Commun. 37, 3 (2010)CrossRef G.Z. Voyiadjis, A.H. Almasri, T. Park, Mech. Res. Commun. 37, 3 (2010)CrossRef
Zurück zum Zitat G.Z. Voyiadjis, D. Faghihi, Y.D. Zhang, Int. J. Solids Struct. 51, 10 (2014)CrossRef G.Z. Voyiadjis, D. Faghihi, Y.D. Zhang, Int. J. Solids Struct. 51, 10 (2014)CrossRef
Zurück zum Zitat G.Z. Voyiadjis, Y. Song, T. Park, J. Eng. Mater. Technol. 139, 2 (2017) G.Z. Voyiadjis, Y. Song, T. Park, J. Eng. Mater. Technol. 139, 2 (2017)
Zurück zum Zitat Y. Xiang, J.J. Vlassak, Acta Mater. 54, 20 (2006) Y. Xiang, J.J. Vlassak, Acta Mater. 54, 20 (2006)
Zurück zum Zitat B. Zhang, Y. Song, G.Z. Voyiadjis, W.J. Meng, J. Mater. Res. 361(1–2), 160–164 (2018) B. Zhang, Y. Song, G.Z. Voyiadjis, W.J. Meng, J. Mater. Res. 361(1–2), 160–164 (2018)
Metadaten
Titel
Finite Element Analysis of Thermodynamically Consistent Strain Gradient Plasticity Theory and Applications
verfasst von
George Z. Voyiadjis
Yooseob Song
Copyright-Jahr
2019
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-319-58729-5_51

    Marktübersichten

    Die im Laufe eines Jahres in der „adhäsion“ veröffentlichten Marktübersichten helfen Anwendern verschiedenster Branchen, sich einen gezielten Überblick über Lieferantenangebote zu verschaffen.