Численное моделирование и экспериментальное исследование локализации пластической деформации при динамическом нагружении образцов в условиях близких к чистому сдвигу
Автор: Билалов Дмитрий Альфредович, Соковиков Михаил Альбертович, Чудинов Василий Валерьевич, Оборин Владимир Александрович, Баяндин Юрий Витальевич, Терхина Ална Ильинична, Наймарк Олег Борисович
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 1 т.10, 2017 года.
Бесплатный доступ
Проведено теоретическое и экспериментальное изучение механизмов локализации пластической деформации при динамическом нагружении на разрезном стержне Гопкинсона-Кольского образцов специальной формы, изготовленных из алюминиевого сплава АМг6 и предназначенных для испытаний в условиях, близких к чистому сдвигу. Механизмы неустойчивости пластического течения связываются с коллективными эффектами в ансамбле микродефектов в пространственно-локализованных областях, “in-situ” визуализация которых проводилась при помощи высокоскоростной инфракрасной камеры CEDIP Silver 450M. Расчёт, соответствующий экспериментальной схеме нагружения, реализован с использованием широкодиапазонных определяющих соотношений, отражающих зависимость механизмов структурной релаксации - проявления коллективного поведения микродефектов - от развития локализованной неустойчивости пластического сдвига. Микроструктурный анализ деформированных образцов заключался в исследовании пространственного скейлинга рельефа (шероховатости) по данным интерферометра-профилометра New View-5010 в областях локализации пластической деформации. Увеличение показателя структурного скейлинга (показателя Хёрста) отражало степень многомасштабного коррелированного поведения дефектов и индуцированной ими шероховатости в областях локализованной пластичности. Инфракрасное сканирование области локализации деформации, численное моделирование и последующая оценка дефектной структуры подтвердили предположение о том, что эффекты температурного разупрочнения не играют решающей роли в процессе локализации пластического сдвига испытуемого материла при рассматриваемых режимах нагружения. Обоснован новый, один из возможных, механизм локализации пластической деформации при динамическом нагружении, обусловленный многомасштабным коллективным поведением мезодефектов - структурно-скейлинговыми переходами, устанавливающий стадийность развития локализованного сдвига.
Численное моделирование, локализация пластического сдвига, микродефекты, динамическое нагружение
Короткий адрес: https://sciup.org/14320830
IDR: 14320830 | УДК: 669.017:539.4; | DOI: 10.7242/1999-6691/2017.10.1.9
Numerical modeling and experimental study of plastic strain localization at dynamic loading of samples under conditions close to pure shear
We have studied theoretically and experimentally factors that control plastic strain localization in AlMg6 samples of special shape dynamically loaded during Hopkinson-Kolsky pressure bar tests in a regime close to pure shear conditions. The mechanisms of plastic flow instability are related to collective effects in spatially localized regions. Use of a high-speed infra-red camera CEDIP Silver 450M allowed us to explore the side surfaces of samples in a real-time mode. Mathematical modeling was carried out to investigate the process of plastic shear localization. Numerical calculations associated with the proposed loading scheme were conducted using wide range constitutive equations, which reflect the relation between the mechanisms of structural relaxation caused by the collective behavior of micro-defects and the auto-wave modes of plastic deformation localization. Upon the completion of the test, the microstructural analysis of the samples was performed with an optical microscope-interferometer NewView-5010. The interferometer was also used to carry out the fractal analysis of the surface relief in the areas of intensive deformation localization. After the test, the Hurst exponent, reflecting a correlation between the behavior of defects and the roughness of different scale levels on the sample surface induced by these defects, increases. We have revealed the distinguishing features of plastic deformation that might be associated with the collective scaling behavior of defects producing an abrupt reduction in the relaxation time of stresses, as well as a localized plastic flow. Infrared scanning of the deformation localization region, numerical modeling and subsequent study of the defect structure led to the conclusion that the temperature-softening effects do not play a decisive role in the process of plastic shear localization for the examined material under given loading conditions. One of the mechanisms responsible for this localization is caused by nonequilibrium transitions in the defect ensemble.
Список литературы Численное моделирование и экспериментальное исследование локализации пластической деформации при динамическом нагружении образцов в условиях близких к чистому сдвигу
- Giovanola J.H. Adiabatic shear banding under pure shear loading. Part I: direct observation of strain localization and energy dissipation measurements//Mech. Mater. -1988. -Vol. 7, no. 1. -P. 59-71.
- Marchand А., Duffy J. An experimental study of the formation process of adiabatic shear bands in a structural steel//J. Mech. Phys. Solids. -1988. -Vol. 36, no. 3. -P. 251-283.
- Nemat-Nasser S., Li Y.-F., Isaacs J.B. Experimental/computational evaluation of flow stress at high strain rates with application to adiabatic shear banding//Mech. Mater. -1994. -Vol. 17, no. 2-3. -P. 111-134.
- Bai Y., Xuc Q., Xu Y., Shen L. Characteristics and microstructure in the evolution of shear localization in Ti-6Al-4V alloy//Mech. Mater. -1994. -Vol. 17, no. 2-3. -P. 155-164.
- Wright T.W., Ravichandran G. Canonical aspects of adiabatic shear bands//Int. J. Plasticity. -1997. -Vol. 13. no. 4. -P. 309-325.
- Molinari A., Clifton R.J. Analytical characterization of shear localization in thermoviscoplastic materials//J. Appl. Mech. -1987. -Vol. 54, no. 4. -P. 806-812.
- Rittel D., Landau P., Venkert A. Dynamic recrystallization as a potential cause for adiabatic shear failure//Phys. Rev. Lett. -2008. -Vol. 101. -165501.
- Burns T.J. Does a shear band result from a thermal explosion?//Mech. Mater. -1994. -Vol. 17, no 2-3. -P. 261-271.
- Наймарк О. Б. Коллективные свойства ансамблей дефектов и некоторые нелинейные проблемы пластичности и разрушения//Физ. мезомех. -2003. -Т. 6, № 4. -C. 45-72.
- Образец для испытания на сдвиг (варианты) и способ испытаний его: пат. 2482463 Российская Федерация/Наймарк О.Б., Баяндин Ю.В., Соковиков М.А., Плехов О.А., Уваров С.В., Банников М.В., Чудинов В.В. -№ 2011114711/28; заявл. 14.04.2011; опубл. 20.05.2013, Бюл. № 14.
- Машиностроение. Том II-3: Цветные металлы и сплавы. Композиционные металлические материалы/Под общ. ред. К.В. Фролова. -М.: Машиностроение, 2001. -880 с.
- Билалов Д.А., Соковиков М.А., Чудинов В.В., Оборин В.А., Баяндин Ю.В., Терёхина А.И., Наймарк О.Б. Исследование локализации пластического сдвига в алюминиевых сплавах при динамическом нагружении//Вычисл. мех. сплош. сред. -2015. -Т. 8, № 3. -С. 319-328.
- Bouchaud E. Scaling properties of cracks//J. Phys.-Condens. Mat. -1997. -Vol. 9, no. 21. -P. 4319-4344.
- Оборин В.А., Банников М.В., Наймарк О.Б., Palin-Luc T. Масштабная инвариантность роста усталостной трещины при гигацикловом режиме нагружения//ПЖТФ. -2010. -Т. 36, № 22. -C. 76-82.
