EXPERIMENTAL AND THEORETICAL INVESTIGATIONS OF STRUCTURAL MECHANISMS AND PLASTIC STRAIN LOCALIZATION EFFECTS IN ALMG6 ALLOY UNDER DYNAMIC LOADING

Abstract


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.

Full Text

Явление локализации пластической деформации, т.е. возникновение больших градиентов пластической деформации в малых областях, представляет теоретиче- ский и практический интерес. Локализация пластической деформации в материа- лах при динамическом нагружении является сложным процессом, зависящим от скорости и величины дефор- мации, температуры, а также эволюции структуры ма- териала. На сегодняшний день существует две наиболее распространённые точки зрения о механизмах локали- зации деформации: термопластическая неустойчивость и механизмы, связанные с эволюцией структуры. Учет механизмов термопластической неустойчиво- сти [1–12] позволил предсказать инициирование полос сдвига, их толщины и расстояние между ними при множественном возникновении полос локализации. В [13; 14] показано, что поведение материала на ди- намических нагрузках связано с состоянием микро- структуры (размер зерен, распределение их ориентации, плотность дислокаций, дислокационных субструктур и т.д.). В работах [15; 16] механизм формирования полос пластического течения при высоких скоростях дефор- мирования связывается с процессами в микроструктуре материала. В работах [17–19] показано, что динамическое раз- рушение при сдвиге кристаллических твердых тел мо- жет быть связано со структурными переходами (дина- мическая рекристаллизация). Процесс формирования полос локализованного сдвига с учетом развития их пространственной самоорганизации, скорости роста, характерных времен взаимодействия меж- ду полосами был проанализирован в [20–28]. Возникновение полос сдвига традиционно связыва- ется с наличием максимума на кривой растяжения. Этот максимум обусловлен конкуренцией между стабилизи- рующим влиянием упрочнения за счет деформации, а также дестабилизирующего влияния термического разупрочнения [6; 7; 9; 20–21; 29]. В ряде работ для исследования эволюции полос ло- кализованного сдвига и определения расстояний между ними использовались известные феноменологические модели: степенной закон [30], модель Джонсона – Кука [31], в [32] применяется MTS-модель [33]. Настоящее экспериментальное и теоретическое ис- следование посвящено обоснованию установленного в работах [34; 35] механизма локализации пластической деформации при динамическом нагружении материа- лов, обусловленном коллективным многомасштабным поведением типичных мезоскопических дефектов (мик- росдвигов).

About the authors

M. A Sokovikov

Institute of Continuous Media Mechanics

M. Yu Simonov

Perm National Research Polytechnic University

V. V Chudinov

Institute of Continuous Media Mechanics

S. V Uvarov

Institute of Continuous Media Mechanics

V. A Oborin

Institute of Continuous Media Mechanics

O. B Naimark

Institute of Continuous Media Mechanics

References

  1. 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
  2. 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
  3. 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
  4. Molinari A. Instabilité thermoviscoplastique en cisaillement simple // J. Mec. Theor. Appl. – 1985. – Vol. 4, no. 5. – P. 659– 684
  5. Molinari A. Shear band analysis // Solid State Phenom. – 1988. – Vol. 3–4. – P. 447–467.
  6. 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
  7. Molinari A., Clifton R. Localisation de la déformation viscoplastique en cisaillement simple, résultats exacts en théorie non-linéaire // C.R. Acad. Sci. – 1983. – Vol. 2, no. 296. – P. 1–4.
  8. 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
  9. 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
  10. 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
  11. 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
  12. 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.
  13. 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
  14. 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
  15. 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.
  16. 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.
  17. 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
  18. 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
  19. 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
  20. 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
  21. 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
  22. 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
  23. 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
  24. 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
  25. 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
  26. 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
  27. 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
  28. 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
  29. Mott N., Jones H. The theory of the properties of metals and alloys. Dover books on physics. – Dover Publications, 1958. – 326 p.
  30. 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
  31. 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.
  32. 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
  33. 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.
  34. Наймарк О.Б. Коллективные свойства ансамблей де- фектов и некоторые нелинейные проблемы пластичности и разрушения // Физическая мезомеханика. – 2003. – Т. 6, № 4. – C. 45–72.
  35. 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.
  36. 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.
  37. 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.
  38. 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.
  39. 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
  40. Численное моделирование и экспериментальное ис- следование локализации пластической деформации при дина- мическом 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
  41. 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
  42. Билалов Д.А., Баяндин Ю.В., Наймарк О.Б. Матема- тическое 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
  43. Билалов Д.А., Соковиков М.А., Чудинов В.В. Мно- гомасштабные механизмы локализации пластической дефор- мации при пробивании преград // Деформация и разрушение материалов. – 2017. – № 5. – С. 43–47.
  44. Фролов К.В. Машиностроение. Т. II-3: Цветные ме- таллы и сплавы. Композиционные металлические материа- лы. – М.: Машиностроение, 2001. – 880 с.
  45. Баяндин Ю.В., Билалов Д.А., Уваров С.В. Верифика- ция широкодиапазонных определяющих соотношений для упруговязкопластических материалов с использованием теста Тейлора – Гопкинсона // Вычислительная механика сплошных сред. – 2020. – Т. 13, № 4. – С. 449–458.
  46. 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

Statistics

Views

Abstract - 225

PDF (Russian) - 86

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2023 Sokovikov M.A., Simonov M.Y., Chudinov V.V., Uvarov S.V., Oborin V.A., Naimark O.B.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies