A physically-informed continuum crystal plasticity model is presented to elucidate the deformation mechanisms and microstructural evolution in body-centered-cubic (bcc) tantalum. We show that our structurally unified modeling framework informed by mesoscopic dislocation dynamics simulations is capable of capturing salient features of the large inelastic behavior of tantalum at quasi-static (0.001 s$^{-1}$) to extreme strain rates (10$^3$ s$^{-1}$) and at 77 K and higher (to 873 K) at both single- and polycrystal levels. Notably, we consider the contribution of the non-Schmid effect at 77 K to capture tension-compression asymmetry. Moreover, we also validated our model for the underlying microstructural evolutions in polycrystal tantalum. Toward this end, we compare the experimental data of texture and dislocation density evolution with our corresponding numerical results, and show that our modeling framework is capable of capturing the important features of polycrystal plasticity. The slip instability analysis in our crystal plasticity model shows that the numerical model reflects physical features of the slip instability widely observed in experiments and dislocation dynamics simulations. Notably, we show that instability is mainly attributed to non-convexity due to strong collinear interaction. Our results at both single- and polycrystal levels provide critical insights into the plastic deformation mechanism for the microscopic and macroscopic responses and their relations in this important class of refractory bcc materials undergoing severe plastic deformations.
본 연구에서는 전위 밀도 기반의 결정 소성 모델을 구성하여 체심 입방 구조를 갖는 탄탈럼의 거시적 거동과 미세구조의 발달에 관하여 연구하였다. 특히, 전위 동역학에서 얻은 슬립계 상호작용 행렬 (Slip system interaction matrix)을 기반으로 경화 모델을 구축함으로써 결정질 재료의 중요한 소성 변형 특성을 연속체 모델에 반영하는 것이 주요 목적이다. 제안된 구성 모델을 단결정 및 다결정 재료의 경계값 문제 시뮬레이션에 적용하여 넓은 범위의 변형률 속도와 (0.001 to 10$^3$ s$^{-1}$) 상온 이상의 넓은 범위의 온도에서 (77 to 873 K) 기계적 거동을 합리적으로 예측함을 보였다. 특히, 77 K과 같은 극저온에서는 비슈미트 (Non-Schmid) 효과를 고려한 모델로 확장하여, 인장-압축 비대칭성을 합리적으로 예측할 수 있다. 또한, 미세구조 발달에 대한 예측 성능을 확인하기 위하여, 실험에서 측정한 변형률에 따른 전위 밀도와 집합조직 (Texture)의 발달량을 모델의 예측 결과와 비교하였고 이를 잘 예측할 수 있음을 보였다. 그리고 단결정 내의 강한 잠재 경화 (Latent hardening)에 의한 불안정성 (Instability) 분석을 통해 결정 소성 모델이 실험 및 전위 동역학에서 나타나는 슬립 불안정성의 근원을 포함하고 있음을 설명할 수 있다. 특히, 모델의 소성 일 증분 (Incremental plastic work)을 계산하여 공선(Collinear) 상호 작용이 불안정성을 유도함을 보일 것이다. 이를 통해, 미시적 및 거시적 관심에서 체심 입방 구조를 갖는 난융 금속의 소성 대변형 메커니즘에 대한 물리적 통찰을 제공하고자 한다.
