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

Соковиков М.А.; Симонов М.Ю.; Чудинов В.В.; Уваров С.В.; Оборин В.А.; Наймарк О.Б.; Sokovikov M.A.; Simonov M.Yu.; Chudinov V.V.; Uvarov S.V.; Oborin V.A.; Naimark O.B.

doi:10.15593/perm.mech/2023.4.11

Научные статьи \ Прикладные науки. Медицина. Технология \ Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли \ Металлургия

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 | УДК: 669.017:539.4, | DOI: 10.15593/perm.mech/2023.4.11

Experimental and theoretical investigations of structural mechanisms and plastic strain localization effects in AlMg6 alloy under dynamic loading

This paper is concerned with substantiating one of the mechanisms of plastic strain localization under high rate loading associated with structural transitions in the defect structure of materials. For this purpose, a series of experiments were carried out to study the localization of plastic strain in skewed specimens of the AMg6 alloy subjected to loading in a split Hopkinson pressure bar. The temperature fields generated during the plastic deformation tests designed to identify the characteristic stages of strain localization were investigated " in-situ " using a high-speed infrared camera CEDIP Silver 450M. The values of temperatures in the strain localization zone indicate that in the AMg6 alloy under the implemented loading conditions the mechanism of strain localization caused by thermoplastic instability is not realized. Structure analysis of dynamically loaded specimens was carried out using the Olympus GX-51 optical microscope and FEI PHENOM G2 ProX scanning electron microscope. It supports the structure-dependent regularities of the strain localization mechanism under dynamic loading. The experimental results of dynamic loading with a subsequent investigation of the temperature fields, the structural studies with an optical and electron microscope, as well as the data of the numerical modeling considering the kinetics of the mesodefect accumulation in the material suggest that one of the mechanisms of plastic strain localization in the AMg6 alloy under realized loading conditions is caused by structural transitions in the defect structure of the material.

Еще

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