Instability of plastic shear and plastic deformation localization caused by structural kinetic transitions in mezodefect ensembles under dynamic loading conditions

Mikhail Al’bertovich Sokovikov; Соковиков Михаил Альбертович; Vasiliy Valerievich Chudinov; Чудинов Василий Валерьевич; Sergey Vitalievich Uvarov; Уваров Сергей Витальевич; Oleg Anatolievich Plekhov; Плехов Олег Анатольевич; Elena Arkadievna Lyapunova; Ляпунова Елена Аркадьевна; Anastasiia Nikolaevna Petrova; Петрова Анастасия Николаевна; Yury Vital'evich Bayandin; Баяндин Юрий Витальевич; Oleg Borisovich Naimark; Наймарк Олег Борисович; Irina Grigorievna Brodova; Бродова Ирина Григорьевна

doi:10.15593/perm.mech/2013.2.154-175

Instability of plastic shear and plastic deformation localization caused by structural kinetic transitions in mezodefect ensembles under dynamic loading conditions

Authors: Sokovikov M.A.¹, Chudinov V.V.¹, Uvarov S.V.¹, Plekhov O.A.¹, Lyapunova E.A.¹, Petrova A.N.², Bayandin Y.V.¹, Naimark O.B.¹, Brodova I.G.²
Affiliations:
1. Institute of Continuous Media Mechanics UB PAC, Perm
2. Institute of Metal Physics UB PAC, Ekaterinburg
Issue: No 2 (2013)
Pages: 154-175
Section: ARTICLES
URL: https://ered.pstu.ru/index.php/mechanics/article/view/342
DOI: https://doi.org/10.15593/perm.mech/2013.2.154-175
Cite item

Abstract
Full Text
About the authors
References
Statistics

Abstract

Institute of Metal Physics UB PAC, Ekaterinburg,

Keywords

instability and localization of plastic strain, dynamic loading, non-equilibrium transitions, micro-shears.

Full Text

К числу основных гипотез, объясняющих неустойчивость пластического сдвига и тесно связанного с ней явления локализации пластической деформации, относятся предположения о разупрочнении материала, обусловленном влиянием: а) скорости деформации; б) деформации; в) температуры вследствие диссипации энергии; г) структурных изменений. Исследованию данного явления посвящен также цикл работ по анализу устойчивости решений систем дифференциальных уравнений с использованием модельных определяющих соотношений. Влиянию всех этих факторов посвящено значительное количество работ [1–14]. Значительное внимание вопросам неустойчивости и локализации пластической деформации уделено в работах научного направления, возглавляемого академиком В.Е. Паниным [15–17], где развивается представление о деформируемом твердом теле как о многоуровневой системе, в которой пластическое течение развивается как последовательная эволюция потери сдвиговой устойчивости на различных масштабных уровнях: микро, мезо и макро. Длительное время доминирующим объяснением механизма неустойчивости и локализации пластической деформации при высоких скоростях нагружения было представление о термопластической неустойчивости [10, 11]. Предполагалось, что тепло, выделяемое в процессе пластической деформации, за малые характерные времена не успевает отводиться, что приводит к термическому разупрочнению и дальнейшему росту пластической деформации. Реализуется лавинообразный процесс, приводящий к скачкообразному росту температур в области локализации пластической деформации. Предполагалось, что температуры могут достигать высоких значений, даже температур плавления материала. Экспериментальные исследования микроструктуры полос адиабатического сдвига, проведенные в ряде работ, в частности [1], указывают на то, что одним из механизмов формирования полос пластического сдвига являются множественные многомасштабные неустойчивости в системе микросдвигов (дефектов мезоуровня), имеющих следствием пластические ротации и изменение ориентации зерен в узких полосах сдвига. Изучались неустойчивость и локализация пластической деформации пластического деформирования при динамическом нагружении. Для теоретического анализа использовалась ранее разработанная теория, в которой методами статистической физики и термодинамики необратимых процессов изучается влияние микросдвигов на пластические свойства твердых тел [18, 19]. Для изучения поведения материалов в условиях, близких к чистому сдвигу, в условиях динамического нагружения использовался разрезной стержень Гопкинсона–Кольского. В процессе динамического деформирования производилось исследование распределения пластических деформаций использованием высокоскоростной инфракрасной камеры CEDIP Silver 450M на боковой поверхности образца (рис. 1). Рис. 1. Разрезной стержень Гопкинсона с установленной инфракрасной камерой Основные технические характеристики камеры: чувствительность не менее 25 мK при 300 K, спектральный диапазон 3–5 мкм, максимальный размер кадра 320´240 точек. Для изучения материала в условиях близких к чистому сдвигу, были разработаны образцы специальной формы (рис. 2). Образцы изготавливались из сплава Д16. Выбранная форма образца обусловлена необходимостью иметь плоскую боковую поверхность для исследования распределений пластической деформации методом инфракрасного сканирования. Схема испытаний представлена на рис. 3. Рис. 2. Образец специальной формы для испытаний в условиях, близких к чистому сдвигу Рис. 3. Схема нагружения образца на стержне Гопкинсона–Кольского: 1 – входной стержень; 2 – рамка; 3 – образец; 4 – выходной стержень (заштрихованные области находятся в состоянии, близком к чистому сдвигу) В результате проведения тестовых испытаний образцов на чистый сдвиг получены поля пластистических деформаций in situ в процессе деформирования (рис. 4, 5). Рис. 4. Инфракрасное изображение образца в процессе деформирования Исследования процесса деформирования на стержне Гопкинсона–Кольского с помощью инфракрасной камеры в режиме реального времени указывают на то, что значения температур в областях локализации пластической деформации не превышают ~250 °С. Изучение поверхности разрушения образцов с помощью просвечивающего электронного микроскопа показало, что в областях локализации произошло образование участков полосовой структуры и ячеистой структуры в деформированном слое (рис. 6). Рис. 5. Распределение температуры по координате перпендикулярно области сдвига Рис. 6. Развитие полосовой структуры и ячеистой структуры в деформированном слое Исследования процесса деформирования на стержне Гопкинсона–Кольского с помощью инфракрасной камеры и микроструктурные исследования позволяют сделать вывод о возможности реализации механизма локализации пластической деформации, не связанного с термопластической неустойчивостью при данном режиме нагружения. Резкий переход к более упорядоченной дефектной структуре часто приводит к аномалиям деформационных свойств, которые могут проявиться, в частности, при высокоскоростном соударении ударника с преградой (выбивание пробки) [20–25]. На установке по исследованию пробивания были нагружены образцы из алюминиевого сплава марки 6061. Установка для высокоскоростного пробивания образцов (рис. 7, 8) смонтирована на раме 7 и состоит из камеры высокого давления 1, ствола 2, системы измерения скорости ударника 3, устройство 8 для крепления мишени 9 с отсекателем 6, приемной камеры 10 и улавливателя 11. Рис. 7. Установка для испытания образцов на пробивание Рис. 8. Схема установки для испытания образцов на пробивание: 1 – камера высокого давления; 2 – ствол; 3 – фотодатчики; 4 – поддон; 5 – ударник; 6 – отсекатель; 7 – рама; 8 – устройство для крепления мишени; 9 – мишень; 10 – приемная камера; 11 – улавливатель Для разгона ударника в стволе используется эбонитовый поддон, внешний диаметр которого соответствует калибру ствола. Для создания воздушной прослойки с целью уменьшения трения поддона при движении в стволе были сделаны специальные канавки. В качестве ударника использовался стержень из высокоуглеродистой стали диаметром 5 мм, длиной 50 мм и массой 7,4 г. Скорость ударника задается давлением воздуха в камере и длиной разгона ударника. Выстрел происходит путем открытия в воздушной камере специального клапана. Скорость поддона с ударником определяется измерением времени пролёта между двумя фотодатчиками. Перед мишенью установлен отсекатель, внутренний диаметр которого меньше внешнего диаметра поддона, но больше диаметра ударника. При соударении с отсекателем поддон тормозится и разрушается, а ударник продолжает движение до соударения с мишенью. Рис. 9. Внешний вид поверхности разрушения и пробки. Зеркальная и шероховатая поверхности разрушения на образце обозначены цифрами 1 и 2 соответственно; пробка – 3 Рис. 10. Схема эксперимента: 1 – образец; 2 – зеркало; 3 – инфракрасная камера При высокоскоростном взаимодействии ударника с мишенью реализуется разрушение в виде формирования и выноса пробки. Распиленный по диаметру образец и выбитая пробка показаны на рис. 9. Продолжающие движение после пробивания преграды ударник и пробка улавливаются приемной камерой с помощью мягкого наполнителя, не искажающего форму пробки. Для исследования распределения пластических деформаций в процессе формирования и выноса пробки использовалась инфракрасная камера CEDIP Silver 450M. Схема эксперимента приведена на рис. 10. На рис. 11 представлено изображение в инфракрасных лучах отверстия после пробивания и летящей пробки. Скорость налетания ударника на преграду 120 м/с. Максимальная температура по периметру отверстия 62 °C. Рис. 11. Инфракрасный образ отверстия после пробивания и летящей пробки и поле температур в этих областях На рис. 12 представлено инфракрасное изображение тыльной поверхности мишени при формировании пробки. Рис. 12. Инфракрасный образ тыльной поверхности мишени при формировании пробки и поле температур в этой области Исследования процесса пробивания преград с помощью инфракрасной камеры в режиме реального времени указывают на то, что значения температур в областях локализации пластической деформации не превышают ~100 °С, что позволяет сделать вывод о возможности реализации механизма формирования и выноса пробки, не связанных с термопластической неустойчивостью. Изучался процесс формирования и выноса пробки при пробивании с использованием лазерного допплеровского измерителя скорости VISAR, схема эксперимента приведена на рис. 13. Рис. 13. Схема регистрации волновых профилей лазерным допплеровским измерителем скорости: 1, 2 – 100%-ные концевые зеркала; 3, 6, 10 – 50%-ный светоделитель; 4 – стеклянная линия задержки; 5, 11, 12 – поляризаторы; 7 – четвертьволновая пластинка; 8 – фотоприемник контроля интенсивности; 9 – фотоприемники выходного излучения; 13 – мишень; 14 – ударник; 15 – зеркало В результате были получены зависимости скорости свободной поверхности от времени в месте формирования и выноса пробки (рис. 14). На установке по исследованию пробивания были нагружены образцы из алюминия марки 6061. После эксперимента сохраненные образцы подвергались микроструктурному анализу с помощью оптического микроскопа-интерферометра NewView-5000 и сканирующего электронного микроскопа. При скоростях соударения 101–103 м/с энергия удара была недостаточной для выбивания пробки из образца, однако наблюдалось образование магистральной трещины у концентраторов напряжений по образующей цилиндрического ударника (рис. 15). Условия для формирования и выноса пробки осуществлялись при скоростях ударника свыше 112 м/с. Рис. 14. Зависимость скорости свободной поверхности от времени в области формирования пробки при пробивании образца Рис. 15. Образование трещины у концентратора напряжений Обнаружено, что для зоны первоначального проникновения ударника в образец, соответствующей зеркальной, гладкой поверхности разрушения, наблюдается относительно равномерное распределение деформации, тогда как при формировании и выносе пробки это распределение становится существенно неоднородным по радиусу образца. Имеет место локализация пластической деформации в узкой области по образующей пробки. По мере продвижения пробки происходит как огрубление рельефа поверхности разрушения, так и увеличение локальных неоднородностей сдвиговых деформаций вследствие искажений внутренней структуры. При этом на зеркальной поверхности контакта наблюдаются частицы ударника (железо) и бороздки, обусловленные трением грубоотполированной поверхности ударника о материал. Изучение шероховатой зоны с помощью сканирующего электронного микроскопа показало наличие двух областей с различной морфологией поверхности: однородной в центральной части образца и более грубой вблизи тыльной поверхности (рис. 16). Сравнительно однородная шероховатая область, следующая за зеркальной поверхностью, соответствует сдвиговым механизмам деформирования материала с последующим огрублением деформационных структур (рис. 16, б). а б Рис. 16. Рельеф шероховатой поверхности, отвечающей сдвигу пробки в образце: а – шероховатая область вблизи зеркального участка; б – шероховатая область вдали от зеркальной поверхности Изучение поверхности разрушения с помощью просвечивающего электронного микроскопа показало, что в областях локализации деформации субзерна вытягиваются в полосы и фрагментируются, образуя ультрамикрокристаллическую структуру с размером зерен ~300 нм. За счет ротационных мод деформации возникают высокоугловые разориентировки зерен. Результаты микроструктурных исследований указывают на существенную роль в процессах локализации пластической деформации многомасштабных процессов неустойчивости в системах микросдвигов. Результаты микроструктурных исследований указывают на существенную роль в процессах локализации пластической деформации многомасштабных процессов неустойчивости в системах микросдвигов. В данном исследовании проведено численное моделирование механизмов неустойчивости пластического сдвига и локализации пластической деформации (в квазиодномерной постановке) с учетом особенностей кинетики накопления микросдвигов в материале. Было рассмотрено деформирование плоского слоя в условиях чистого сдвига. Одна сторона слоя жестко закреплена. На другой стороне слоя задается постоянная скорость (рис. 17). Рис. 17. Схема нагружения Поведение плоского слоя с учетом кинетики накопления микросдвигов в материале описывается следующими уравнениями: (1) (2) (3) (4) где – кинетические коэффициенты; – параметры аппроксимации; – компонента тензора плотности микросдвигов. Использовались начальные и граничные условия (5) (6) Неоднородное пластическое течение слоя и дальнейшая локализация пластической деформации инициируются начальным неоднородным распределением тензора плотности микросдвигов. Принималось условие аддитивности упругих и пластических скоростей деформаций: (7) Поведение материала слоя описывалось уравнением (8) где G – модуль сдвига. При численном решении системы уравнений (1)–(8) использовалась явная конечно-разностная схема второго порядка точности. В процессе высокоскоростного деформирования в материале происходит структурно-кинетический переход по параметру плотности микросдвигов в локальной области, характеризующийся быстрым ростом параметра плотности микросдвигов (рис. 18), что приводит к резкому скачкообразному изменению эффективных характеристик среды, в частности к резкому падению эффективной вязкости, и, как следствие, к резкому росту скоростей пластических деформаций и релаксации напряжений и падению сопротивления сдвига в этой области (рис. 19). Рис. 18. Распределение параметра плотности микросдвигов Рис. 19. Распределение скорости пластической деформации Модель упруго-пластического поведения материала с учетом кинетики накопления микросдвигов описывает процессы неустойчивости пластического сдвига и локализации пластической деформации. Данные теоретических и экспериментальных исследований позволяют предположить, что один из механизмов неустойчивости пластического сдвига и локализации пластической деформации при динамическом нагружении обусловлен структурно-кинетическими переходами в ансамблях микросдвигов. Работа выполнена при частичной поддержки Программы РАН № 12-П-2-1009, грантов РФФИ 11-01-00712_а, 11-01-00153_а.

About the authors