Finite element analysis of harmonic structured materials
(2026) FMEM01 20252Mechanics
- Abstract
- The improvement of the structural properties in crystalline materials is of critical importance for an efficient use of natural resources and a circular economy. It has been found that these properties can be altered through severe plastic deformation. Bimodal harmonic structured (bHS) materials is a new class of materials having specified topological arrangement of coarse- and ultra-fine grains. Experiments of this architectural microstructure have been shown to increase the mechanical performance of the material.
In this thesis, finite-element simulations of a tensile specimen of bHS material are analysed to investigate the micro-mechanical mechanisms of plastic deformation. The 2D bHS-model captured the expected behaviour of... (More) - The improvement of the structural properties in crystalline materials is of critical importance for an efficient use of natural resources and a circular economy. It has been found that these properties can be altered through severe plastic deformation. Bimodal harmonic structured (bHS) materials is a new class of materials having specified topological arrangement of coarse- and ultra-fine grains. Experiments of this architectural microstructure have been shown to increase the mechanical performance of the material.
In this thesis, finite-element simulations of a tensile specimen of bHS material are analysed to investigate the micro-mechanical mechanisms of plastic deformation. The 2D bHS-model captured the expected behaviour of increased ductility, toughness and strength. Shedding a light on the mechanisms behind the excellent performance of bHS materials reveals an increase in yield stress and an ability to delay strain localization. (Less) - Popular Abstract (Swedish)
- Utvecklingen av de strukturella egenskaperna hos metaller är kritisk för en effektiv användning av naturtillgångar och en cirkulär ekonomi. På senaste tid har en ny klass material med imponerande strukturella egenskaper visats sig vara väldigt intressanta, nämligen harmoniskt strukturerade material. I den här rapporten analyseras en simulering av ett dragprov för att synliggöra de essentiella mekaniska egenskaperna av det här nya materialet.
Metaller är extremt viktiga material för ett mer hållbart samhälle. Speciellt med tanke på att metall går att återvinna många gånger. Därför är det viktigt med forskningen kring detta ämnet och jag hoppas att min rapport kan bidra till detta. I mitt arbete har jag jobbat med att simulera harmoniskt... (More) - Utvecklingen av de strukturella egenskaperna hos metaller är kritisk för en effektiv användning av naturtillgångar och en cirkulär ekonomi. På senaste tid har en ny klass material med imponerande strukturella egenskaper visats sig vara väldigt intressanta, nämligen harmoniskt strukturerade material. I den här rapporten analyseras en simulering av ett dragprov för att synliggöra de essentiella mekaniska egenskaperna av det här nya materialet.
Metaller är extremt viktiga material för ett mer hållbart samhälle. Speciellt med tanke på att metall går att återvinna många gånger. Därför är det viktigt med forskningen kring detta ämnet och jag hoppas att min rapport kan bidra till detta. I mitt arbete har jag jobbat med att simulera harmoniskt strukturerad nickel. Med detta menas att grovkornigt nickel blandas med finkornigt nickel på ett sådant sätt att de grövre kornen lägger sig på ett strukturerat sätt. De finare kornen fungerar då som ett nät som separerar de grövre kornen. Hur är de strukturella egenskaperna hos finkornigt respektive grovkornigt nickel? Jo, finkornigt nickel har en bra styrka men kan inte töjas särskilt mycket. Grovkornigt nickel har en sämre styrka men är otroligt töjbart. I min simulation av harmoniskt strukturerad nickel, kan man se att de grövre kornen töjs först. De högre spänningarna finnar man i nätet av finare korn. Det fiffiga med detta är att man då kan fortsätta dra i metallen utan den ger vika. Man får då det bästa av två världar, god styrka med bättre töjbarhet!
Det visar sig också att blandningen av materialen ger bättre resultat än vad man kan förvänta sig. Detta tyder på att det inte bara är blandningen som är viktig utan även strukturen. För att tydliggöra detta så simulerar jag en slumpmässig blandning av fin- och grovkornigt nickel. Resultat visar att metallen inte alls blir lika töjbar. I länken nedan kan ni läsa min rapport och få mer detaljer kring hur simuleringarna har gått till, t.ex. om hur jag skrivit Python kod för få fram en slumpmässig blandning. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
https://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9226845
- author
- Osman Hussein, Diiriye LU
- supervisor
-
- Aylin Ahadi LU
- organization
- course
- FMEM01 20252
- year
- 2026
- type
- H2 - Master's Degree (Two Years)
- subject
- keywords
- Harmonic structured materials, microstructure, finite element analysis, ultra-fine grain, coarse grain, micro-mechanical mechanisms, plastic deformation, mechanical performance, ductility, toughness, strength
- other publication id
- LUTFD2/(TFME-26)/5047-SE(1-34)
- language
- English
- id
- 9226845
- date added to LUP
- 2026-05-25 10:17:28
- date last changed
- 2026-05-25 10:17:28
@misc{9226845,
abstract = {{The improvement of the structural properties in crystalline materials is of critical importance for an efficient use of natural resources and a circular economy. It has been found that these properties can be altered through severe plastic deformation. Bimodal harmonic structured (bHS) materials is a new class of materials having specified topological arrangement of coarse- and ultra-fine grains. Experiments of this architectural microstructure have been shown to increase the mechanical performance of the material.
In this thesis, finite-element simulations of a tensile specimen of bHS material are analysed to investigate the micro-mechanical mechanisms of plastic deformation. The 2D bHS-model captured the expected behaviour of increased ductility, toughness and strength. Shedding a light on the mechanisms behind the excellent performance of bHS materials reveals an increase in yield stress and an ability to delay strain localization.}},
author = {{Osman Hussein, Diiriye}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{Finite element analysis of harmonic structured materials}},
year = {{2026}},
}