Экспериментальное и теоретическое исследование структурных механизмов и эффектов локализации пластической деформации в сплаве АМГ6 при динамическом нагружении

Экспериментальное и теоретическое исследование структурных механизмов и эффектов локализации пластической деформации в сплаве АМГ6 при динамическом нагружении

Автор: Соковиков М.А., Симонов М.Ю., Чудинов В.В., Уваров С.В., Оборин В.А., Наймарк О.Б.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 4, 2023 года.

Бесплатный доступ

Обосновывается один из механизмов локализации пластической деформации при высокоскоростном нагружении, связанном со структурными переходами в дефектной структуре материалов. Для этого проводились эксперименты по изучению локализации пластической деформации в скошенных образцах из сплава АМг6 при нагружении на стержне Гопкинсона - Кольского. Температурные поля при пластическом деформировании с целью идентификации характерных стадий локализации деформации исследовались in situ с использованием высокоскоростной инфракрасной камеры CEDIP Silver 450M. Значения температур в зоне локализации свидетельствуют, что механизм локализации деформации, обусловленный термопластической неустойчивостью в осуществленных условиях нагружения, для сплава АМг6 не реализуется. Проведены структурные исследования динамически нагруженных образцов на оптическом микроскопе Olympus GX-51 и сканирующем электронном микроскопе FEI PHENOM G2 ProX, подтверждающие структурно обусловленные закономерности механизма локализации деформации при динамическом нагружении. Результаты экспериментальных исследований по динамическому нагружению с изучением температурных полей, структурные исследования с применением оптического и электронного микроскопов, а также данные численного моделирования, проведенного с учетом особенностей кинетики накопления мезодефектов в материале, позволяют предполагать, что один из механизмов локализации пластической деформации при реализованных условиях нагружении в сплаве АМг6 обусловлен структурными переходами в дефектной структуре материала.

Еще

Динамическое нагружение, локализация пластической деформации, инфракрасное сканирование, численное моделирование, структурные исследования

Короткий адрес: https://sciup.org/146282730

IDR: 146282730   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2023.4.11

Список литературы Экспериментальное и теоретическое исследование структурных механизмов и эффектов локализации пластической деформации в сплаве АМГ6 при динамическом нагружении

  • Grady D.E., Kipp M.E. The growth of unstable thermoplastic shear with application to steady-wave shock compression in solids // J. Mech. Phys. Solids. – 1987. – Vol. 35, no. 1. – P. 95–119. DOI: 10.1016/0022-5096(87)90030-5
  • Bai Y.L. Thermo-plastic instability in simple shear // J. Mech. Phys. Solids. – 1982. – Vol. 30, no. 4. – P. 195–207. DOI: 10.1016/0022-5096(82)90029-1
  • On critical conditions for shear band formation at high strain rates / R.J. Clifton, J. Duffy, K.A. Hartley, T.G. Shawki // Scripta Metall. – 1984. – Vol. 18, no. 5. – P. 443–448. DOI: 10.1016/0036-9748(84)90418-6
  • Molinari A. Instabilité thermoviscoplastique en cisaillement simple // J. Mec. Theor. Appl. – 1985. – Vol. 4, no. 5. – P. 659– 684.
  • Molinari A. Shear band analysis // Solid State Phenom. – 1988. – Vol. 3–4. – P. 447–467.
  • Molinari A. Collective behavior and spacing of adiabatic shear bands // J. Mech. Phys. Solids. – 1997. – Vol. 45, no. 9. – P. 1551–1575. DOI: 10.1016/S0022-5096(97)00012-4
  • Molinari A., Clifton R. Localisation de la deformation viscoplastique en cisaillement simple, résultats exacts en théorie non-linéaire // C.R. Acad. Sci. – 1983. – Vol. 2, no. 296. – P. 1–4.
  • Wright T.W. Shear band susceptibility: work hardening materials // Int. J. Plast. – 1992. – Vol. 8. – P. 583–602. DOI: 10.1016/0749-6419(92)90032-8
  • Wright T.W., Ockendon H. A scaling law for the effect of inertia on the formation of adiabatic shear bands // Int. J. Plast. – 1996. – Vol. 12, no. 7. – P.927–934. DOI: 10.1016/S0749-6419(96)00034-4
  • Wright T.W., Walter J.W. On stress collapse in adiabatic shear bands // J. Mech. Phys. Solids. – 1987. – Vol. 35, no. 6. – P. 701–720. DOI: 10.1016/0022-5096(87)90051-2
  • Zhou F., Wright T.W., Ramesh K.T. The formation of multiple adiabatic shear bands // J. Mech. Phys. Solids. – 2006. – Vol. 54, no. 7. – P. 1376–1400. DOI: 10.1016/j.jmps.2006.01.006
  • Yang Y., Zeng Y., Gao Z.W. Numerical and experimental studies of self-organization of shear bands in 7075 aluminium alloy // Mater. Sci. Eng. – 2008. – Vol. A 496. – P. 291–302.
  • McDowell D.L. A perspective on trends in multiscale plasticity // Int. J. Plast. – 2010. – Vol. 26, no. 9. – P. 1280–1309. DOI: 10.1016/j.ijplas.2010.02.008
  • Austin R.A., McDowell D.L. A dislocation-based constitutive model for viscoplastic deformation of fcc metals at very high strain rates // Int. J. Plast. – 2011. – Vol. 27. – P. 1–24. DOI: 10.1016/j.ijplas.2010.03.002
  • An experimental and numerical study of the localization behavior of tantalum and stainless steel / C. Bronkhorst, E. Cerreta, Q. Xue, P. Maudlin, T. Mason, G.G. III // Int. J. Plast. – 2006. – Vol. 22, no. 7. – P. 1304–1335.
  • The influence of microstructure on the mechanical response of copper in shear / E. Cerreta, I. Frank, G. Gray, C. Trujillo, D. Korzekwa, L. Dougherty // Mater. Sci. Eng. – 2009. – Vol. A 501, no. 1–2. – P. 207–219.
  • Rittel D., Wang Z., Merzer M. Adiabatic Shear Failure and Dynamic Stored Energy of Cold Work // Phys. Rev. Lett. – 2006. – Vol.96. – P. 075502. DOI: 10.1103/PhysRevLett.96.075502
  • Rittel D. A different viewpoint on adiabatic shear localization // J. Phys. D: Appl. Phys. – 2009. – Vol. 42. – P. 214009. DOI: 10.1088/0022-3727/42/21/214009
  • On the dynamic character of localized failure / S. Osovski, Y. Nahmany, D. Ritte, P. Landau, A. Venkert // Scripta Materialia. –2012. – Vol. 67, no. 7–8. – P. 693–695. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2012.07.001
  • Grady D.E. Properties of an adiabatic shear-band process zone // J. Mech. Phys. Solids. –1992. – Vol. 40, no. 6. – P. 1197–1215. DOI: 10.1016/0022-5096(92)90012-Q
  • Grady D.E., Kipp M.E. The growth of unstable thermoplastic shear with application to steady-wave shock compression in solids // J. Mech. Phys. Solids. – 1987. – Vol. 35, no. 1. – P. 95–119. DOI: 10.1016/0022-5096(87)90030-5
  • Nesterenko V.F., Meyers M.A., Wright T.W. Selforganization in the initiation of adiabatic shear bands // Acta Mater. – 1998. – Vol. 46, no. 1. – P. 327–340. DOI: 10.1016/S1359-6454(97)00151-1
  • Nesterenko V.F., Xue Q., Meyers M.A. Self-organization of shear bands in Ti, Ti-6Al-4V, and 304 stainless steel // J. Phys. IV 10 (Pr9). – 2000. – P. 269–274. DOI: 10.1016/j.msea.2004.05.069
  • Xue Q., Meyers M.A., Nesterenko V.F. Selforganization of shear bands in titanium and Ti-6Al-4V alloy // Acta Mater. – 2002. – Vol. 50, no. 3. – P. 575–596. DOI: 10.1016/S1359-6454(01)00356-1
  • Marchand A., 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. DOI: 10.1016/0022-5096(88)90012-9
  • 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. DOI: 10.1016/0167-6636(88)90006-3
  • Yang Y., Zeng Y., Gao Z.W. Numerical and experimental studies of self-organization of shear bands in 7075 aluminium alloy // Mater. Sci. Eng. – 2008. – Vol. A 496. – P. 291–302. DOI: 10.1016/j.msea.2008.07.043
  • Effect of orientation on self-organization of shear bands in 7075 aluminum alloy / Y. Yang, H.G. Zheng, Z.J. Shi, Q.M. Zhang // Mater. Sci. Eng. – 2011. – Vol. A 528. – Р. 2446–2453. DOI: 10.1016/j.msea.2010.12.050
  • Mott N., Jones H. The theory of the properties of metals and alloys. Dover books on physics. – Dover Publications, 1958. – 326 p.
  • Batra R.C., Chen L. Effect of viscoplastic relations on the instability strain, shear band initiation strain, the strain corresponding to the minimum shear band spacing, and the band width in a thermoviscoplastic material // Int. J. Plast. – 2001. – Vol. 17. – P. 1465–1489. DOI: 10.1016/S0749-6419(01)00004-3
  • Johnson G.R., Cook W.H. A constitutive model and data for metals subjected to large strains, high strain rates and high temperatures // Proceedings of 7th International Symposium on Ballistics. The Hague, Netherlands. 19–21 April 1983. – 1983. – P. 541–547.
  • Daridon L., Oussouaddi O., Ahzi S. Influence of the material constitutive models on the adiabatic shear band spacing: MTS, Power Law and Johnson-Cook models // Int. J. Solids Struct. – 2004. – Vol. 41. – P. 3109–3124. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2004.01.008
  • Follansbee P.S., Kocks U.F. A constitutive description of the deformation of copper based on the use of the mechanical threshold stress as an internal state variable // Acta Metall. – 1988 – Vol. 36, no. 1. – P. 81–93. DOI: 10.1016/0001-6160(88)90030-2.
  • Наймарк О.Б. Коллективные свойства ансамблей дефектов и некоторые нелинейные проблемы пластичности и разрушения // Физическая мезомеханика. – 2003. – Т. 6, № 4. – C. 45–72.
  • Naimark O.B., Defect Induced Transitions as Mechanisms of Plasticity and Failure in Multifield Continua // Advances in Multifield Theories of Continua with Substructure, Ed. G. Capriz and P. Mariano. – Birkhäuser, Boston. – 2004. – P. 75–114.
  • Meyer L.W., Staskewitsch E., Burblies A. Adiabatic shear failure under biaxial dynamic compression/shear loading // Mechanics of Materials. – 1994. – No. 17. – P. 203–214.
  • Influence of microstructure on adiabatic shear localization of pre-twisted tungsten heavy alloy / Z. Wei, J. Yu, S. Hu, Y. Li // International Journal of Impact Engineering. – 2000. – No. 24. – P. 747–758.
  • Pursche F., Meyer L.W. Correlation between dynamic material behavior and adiabatic shear phenomenon for quenched and tempered steels // Engineering Transactions. – 2011. – No. 59(2). – P. 67–84.
  • Structural mechanisms of formation of adiabatic shear bands / M. Sokovikov, D. Bilalov, V. Oborin, V. Chudinov, S. Uvarov, Y. Bayandin, O. Naimark // Frattura ed Integrità Strutturale.. – 2016. – Vol. 10, no. 38. – P. 296–304. DOI: 10.3221/IGF-ESIS.38.40
  • Численное моделирование и экспериментальное исследование локализации пластической деформации при динамическом нагружении образцов в условиях близких к чистому сдвигу / Д.А. Билалов, М.А. Соковиков, В.В. Чудинов, В.А. Оборин, Ю.В. Баяндин, А.И. Терехина, О.Б. Наймарк // Вычислительная механика сплошных сред. – 2017. – Т. 10, № 1. – С. 103–112. DOI: 10.7242/1999-6691/2017.10.1.9
  • Multiscale study of fracture in aluminum-magnesium alloy under fatigue and dynamic loading / V.A. Oborin, M.A. Bannikov, O.B. Naimark, M.A. Sokovikov, D.A. Bilalov // Frattura ed Integrità Strutturale. – 2015. – Vol. 34. – P. 479–483. DOI: 10.3221/IGF-ESIS.34.47
  • Билалов Д.А., Баяндин Ю.В., Наймарк О.Б. Математическое моделирование процесса разрушения сплава АМг2.5 в режиме много- и гигацикловой усталости // Вычислительная механика сплошных сред. – 2018. – Т. 11, № 3. – С. 323–334. DOI: 10.7242/1999-6691/2018.11.3.24
  • Билалов Д.А., Соковиков М.А., Чудинов В.В. Многомасштабные механизмы локализации пластической деформации при пробивании преград // Деформация и разрушение материалов. – 2017. – № 5. – С. 43–47.
  • Фролов К.В. Машиностроение. Т. II-3: Цветные металлы и сплавы. Композиционные металлические материалы. – М.: Машиностроение, 2001. – 880 с.
  • Баяндин Ю.В., Билалов Д.А., Уваров С.В. Верификация широкодиапазонных определяющих соотношений для упруговязкопластических материалов с использованием теста Тейлора – Гопкинсона // Вычислительная механика сплошных сред. – 2020. – Т. 13, № 4. – С. 449–458.
  • Структурные аспекты пластической деформации. Часть I. Эффект адибатического сдвига / М.Ю. Симонов, О.Б. Наймарк, Ю.Н. Симонов, М.Н. Георгиев, Г.С. Шайманов, Д.Д. Карпова, Д.А. Билалов // Металловедение и термическая обработка металлов. – 2019. – № 10 (772). – С. 43–53. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=41434828
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp