Исследование локализации пластического сдвига в алюминиевых сплавах при динамическом нагружении
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: 3 т.8, 2015 года.
Бесплатный доступ
На образцах из сплава АМг6 проведено экспериментальное и теоретическое изучение механизмов локализации пластического сдвига при динамическом деформировании по схеме «сдвиг-сжатие», реализованном на стержне Гопкинсона-Кольского. Механизмы неустойчивости связывались с коллективными эффектами в ансамбле микросдвигов в пространственно-локализованных областях. В режиме реального времени проводилась съемка боковой поверхности образцов с помощью высокоскоростной инфракрасной камеры CEDIP Silver 450M. Полученное распределение температуры в различные моменты времени позволило судить о развитии процесса локализации пластической деформации. На основе уравнений, отражающих влияние неравновесных переходов на механизмы структурной релаксации и пластического течения, проведено численное моделирование локализации пластического сдвига. Вычислительный эксперимент, соответствующий реализуемой схеме нагружения образцов, проводился с использованием системы определяющих уравнений, отражающих роль механизмов структурной релаксации, обусловленных коллективным поведением микросдвигов с автоволновыми режимами развития локализованного пластического течения. По окончании эксперимента образцы подвергались микроструктурному анализу с помощью оптического микроскопа-интерферометра New View-5010. После динамической деформации постоянство показателя Хёрста, отражающего связность поведения дефектов и индуцированной ими на поверхности образцов шероховатости различных масштабных уровней, наблюдается в более широком диапазоне пространственных масштабов. Проведенные исследования выявили характерные особенности локализации деформации, предшествующей разрушению по сценарию адиабатического сдвига. Причиной особенностей может являться коллективное многомасштабное поведение дефектов, инициирующее резкое уменьшение времени релаксации напряжений, а также, как следствие, локализованное пластическое течение и формирование очагов разрушения по типу адиабатического сдвига. Инфракрасное сканирование in-situ зоны локализации пластической деформации и последующее изучение дефектной структуры подтвердили предположение о решающей роли неравновесных переходов в ансамблях дефектов при развитии локализованного пластического течения.
Численное моделирование, локализация пластической деформации, микродефекты, динамическое нагружение
Короткий адрес: https://sciup.org/14320776
IDR: 14320776 | УДК: 669.017:539.4; | DOI: 10.7242/1999-6691/2015.8.3.27
Study of plastic shear localization in aluminum alloys under dynamic loading
The paper presents an experimental and theoretical study of plastic shear localization mechanisms observed in AlMg6 alloy shear-compression specimens dynamically loaded during Hopkinson-Kolsky bar tests. The mechanisms of plastic shear instability are associated with collective effects in microshear ensembles in spatially localized areas. The lateral surface of specimens was studied in a real-time mode using a high-speed infra-red camera CEDIP Silver 450M. The temperature field distribution obtained at different time allowed us to trace the evolution of plastic strain localization. Based on the equations describing a relationship between non-equilibrium transitions and mechanisms of structural relaxation and plastic flow, numerical modeling of plastic shear localization was performed. A numerical experiment relevant to the loading scheme realized in our study was carried out using a system of constitutive equations constructed to take into account a relationship between the structural relaxation mechanisms caused by the collective behavior of microshears and the autowave modes of evolution of a localized plastic flow. Upon the experiment completion the microstructure of the saved specimens was analyzed using a New View-5010 microscope-interferometer. Constancy of the Hurst exponent is observed in a wide range of spatial scales after the dynamic deformation of samples. The Hurst exponent reflects the relationship between the behavior of defects and the surface roughness of different scale levels. For dynamically deformed specimens, constancy of the Hurst index was observed over a much wider range of spatial scales. This indicates more pronounced features of strain localization preceding adiabatic shear failure. These specific features can be caused by the collective multi-scale behavior of defects, which initiates a sharp decrease in stress relaxation time and consequently a localized plastic flow and generation of fracture nuclei by adiabatic shear. Infrared scanning in-situ of the strain localization zone and a consequent study of the defect structure confirmed our supposition that non-equilibrium transitions play a crucial role in defect ensembles during the evolution of a localized plastic flow.
Список литературы Исследование локализации пластического сдвига в алюминиевых сплавах при динамическом нагружении
- 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.
- Burns T.J. Does a shear band result from a thermal explosion?//Mech. Mater. -1994. -Vol. 17, no. 2-3. -P. 261-271.
- Nemat-Nasser S., Li Y.F., Isaacs J.B. Experimental/computational evolution 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.
- Belytschko T., Krongauz Y., Organ D., Fleming M., Krysl P. Meshless methods: An overview and recent developments//Comput. Method. Appl. M. -1996. -Vol. 139, no. 1-4. -P. 3-47.
- Wright T.W., Ravichandran G. Canonical aspects of adiabatic shear bands//Int. J. Plasticity. -1997. -Vol. 13. no. 4. -P. 309-325.
- Medyanik S.N., Liu W.K., Li S. On criteria for dynamic adiabatic shear band propagation//J. Mech. Phys. Solids. -2007. -Vol. 55, no. 7. -P. 1439-1461.
- Rittel D., Ravichandran G., Venkert A. The mechanical response of pure iron at high strain rates under dominant shear//Mater. Sci. Eng. -2006. -Vol. 432, no. 1-2. -P. 191-201.
- Rittel D., Wang Z.G., Merzer M. Adiabatic shear failure and dynamic stored energy of cold work//Phys. Rev. Lett. -2006. -Vol. 96. -075502.
- Rittel D., Landau P., Venkert A. Dynamic recrystallization as a potential cause for adiabatic shear failure//Phys. Rev. Lett. -2008. -Vol. 101. -165501.
- 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.
- Barker L.M. Behavior of dense media under high dynamic pressures. -New York: Gordon and Breach, 1968. -483 p.
- Swegle J.W., Grady D.E. Shock viscosity and the prediction of shock wave rise time//J. Appl. Phys. -1985. -Vol. 58, no. 2. -P. 692-701.
- Razorenov S.V., Kanel G.I., Fortov V.E., Abasehov M.M. The fracture of glass under high-pressure impulsive loading//High Pressure Res. -1991. -Vol. 6, no. 4. -P. 225-232.
- Наймарк О.Б. Коллективные свойства ансамблей дефектов и некоторые нелинейные проблемы пластичности и разрушения//Физ. мезомех. -2003. -Т. 6, № 4. -C. 45-72.
- Соковиков М.А., Билалов Д.А., Чудинов В.В., Уваров С.В., Плехов О.А., Терехина А.И., Наймарк О.Б. Неравновесные переходы в ансамблях дефектов при динамической локализации пластической деформации//ПЖТФ. -2014. -Т. 40, № 23. -С. 82-88.
- Sokovikov M., Chudinov V., Bilalov D., Oborin V., Uvarov S., Plekhov O., Terekhina A., Naimark O. Experimental and numerical study of plastic shear instability under high-speed loading conditions//AIP Conf. Proc. -2014. -Vol. 1623. -P. 599-602.
- Bilalov D., Sokovikov M., Chudinov V., Oborin V., Terekhina A., Naimark O. Numerical simulation and experimental investigation of localization of strain and fracture of metals under dynamic loading//AIP Conf. Proc. -2014. -Vol. 1623. -P. 67-70.
- Соковиков М.А., Баяндин Ю.В., Ляпунова Е.А., Плехов О.А., Чудинов В.В., Наймарк О.Б. Локализация пластического сдвига и механизмы разрушения при динамическом нагружении металлов//Вычисл. мех. сплош. сред. -2013. -Т. 6, № 4. -С. 467-474.
- Савельева Н.В., Баяндин Ю.В., Наймарк О.Б. Численное моделирование деформирования и разрушения металлов в условиях плоского удара//Вычисл. мех. сплош. сред. -2012. -Т. 5, № 3. -С. 300-307.
- Баяндин Ю.В., Костина А.А., Наймарк О.Б., Пантелеев И.А. Моделирование деформационного поведения ванадия при квазистатическом нагружении//Вычисл. мех. сплош. сред. -2012. -Т. 5, № 1. -С. 33-39.
- Bouchaud E. Scaling properties of cracks//J. Phys. Condens. Mat. -1997. -Vol. 9, no. 21. -P. 4319-4344.
- Froustey C., Naimark O., Bannikov M., Oborin V. Microstructure scaling properties and fatigue resistance of pre-strained aluminium alloys (part 1: Al-Cu alloy)//Eur. J. Mech. A-Solid. -2010. -Vol. 29, no. 6. -P. 1008-1014.
- 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.
