FEATURES OF DEFORMATION OF A BIMETALLIC PLATE

Abstract


The features of macroscopic localization of plastic flow during uniaxial tension of a flat bimetallic plate are discussed. The extension axis of the sample was oriented normally to the direction of rolling. The studied bimetal "low-carbon steel - stainless steel" is used in chemical engineering for the manufacture of reaction columns, autoclaves, reactors, and heat exchangers. The plastic flow curve of the bimetal after the yield point in the area of large plastic deformations is located between the curves for its components - austenitic stainless steel (AISI 304) and low-carbon steel (ASTM A414 grade A). The visualization of localized plastic deformation bands and registration of the kinetics of their movement were carried out on the working part of the sample by the method of digital speckle photography. It has been established that at the yield plateau, plastic deformation in the form of Lüders fronts originates at the interface between the cladding layer and the base bimetal layer and propagates in the base layer of low-carbon steel, while the less plastic cladding layer of stainless steel deforms elastically. Then, together with the base one, the cladding layers also begin to plastically deform in the form of the propagation of Portevin-Le Chatelier fronts. The process of failure of a bimetal also begins with the localization of plastic deformation near structural inhomogeneities and stress concentrators in the area of contact between layers of two dissimilar metals. The stress concentrators formed at the early stages of plastic flow in this region initiate the formation of a high-amplitude peak of strain localization, which is a precursor to the formation of a neck in the sample and further ductile failure of the bimetal.

Full Text

Развитие современной техники вызывает необходимость создания материалов, обладающих комплексом свойств, обеспечивающих высокую прочность, коррозионную стойкость, теплопроводность, жаропрочность, износостойкость и др. [1]. Поэтому широкое применение нашли биметаллические материалы, которые изготовлены с помощью соединения двух и более разнородных металлов в монолитную композицию, сохраняющую надежную связь составляющих при дальнейшей технологической обработке в условиях эксплуатации [2]. В настоящее время существует большое количество различных методов получения биметаллов [3-5], что объясняется большим разнообразием по их назначению и составу, а также стремлением найти самый рациональный метод получения для каждого вида. Изучению механических свойств биметаллов посвящены многие исследования [6-8]. Прочное соединение слоев металла между собой по всей поверхности контакта является основной задачей при получении металлических композитов. При этом необходимо получить необходимое соотношение толщин слоев, а также требуемую структуру и свойства готового композита. Использование твердой стали в сочетании с более мягкой позволяет существенно увеличить срок эксплуатации биметаллических изделий. Влияние термической обработки на межфазные характеристики, механические свойства и поведение при разрушении биметаллического композита из дуплексной нержавеющей стали 2205/углеродистой стали AH36 рассмотрено в [8]. Неоднородность микроструктуры и химического состава наблюдались в прилегающей к границе раздела зоне. Установлено, что диффузионная переходная зона элементов сплава Cr и Fe между компонентом 2205 и слоями стали АН36 имеет тенденцию к увеличению с повышением температуры отжига. Результаты испытаний на сдвиг и растяжение показали, что прочность на растяжение биметаллического композита 2205/AH36 постепенно снижается, но удлинение при разрушении увеличивается с повышением температуры отжига, более широкая зона диффузии легирующих элементов приводит к более высокой межфазной прочности на сдвиг и лучшей пластичности биметаллического композита [8]. В работе [9] приводятся данные о картах деформационных полей при квазистатическом и динамическом одноосном растяжении пластин из слоистого материала Ti/Al, полученных методом сварки взрывом. Результаты исследований при нагружении образцов в параллельном и перпендикулярном направлениях интерфейсу в сочетании с методами энергодисперсионной спектроскопии и синхротронной рентгенографии высокого разрешения, позволили выявить различные механизмы деформации слоистых композитов. В частности, установлено, что пластическая деформация и разрушение пластин осуществляются преимущественно в слое Al для перпендикулярной приложенной нагрузки, в то же время для параллельно прилагаемой нагрузки к поверхности раздела, как слои Ti и Al, так и интерфейс слоистого материала играет важную роль для процессов пластического течения [9]. Известные модели механики разрушения [10-14], использующиеся для описания деформации и разрушения монолитного материала и отдельных составляющих слоистых материалов, к сожалению, не позволяют учитывать локализацию пластической деформации и разрушения в зоне соединения слоев. В работах [15, 16] для макроскопического описания нелинейного пластического течения предложена градиентная теория пластичности, учитывающая многомасштабность деформируемой среды [17]. Особенности пластической деформации материалов на макроскопическом масштабном уровне рассмотрены в работах [18-23] с использованием экспериментальных методов механики деформируемого тела. Заманчивые перспективы в понимании природы локализации деформации биметаллов могут быть связаны с автоволновыми представлениями о пластичности [24, 25]. В работах [26, 27] показано, что паттерны локализованной пластичности в чистых металлах и сплавах однозначно связаны с законом деформационного упрочнения, актуальным для соответствующей стадии процесса деформации. Как показывают результаты исследований [1], одноименные стадии деформационного упрочнения в разных материалах могут соответствовать разным общим деформациям. В связи с этим возникает вопрос о том, как может развиваться локализация пластической деформации в биметалле [28], состоящем из металлов с разными видами диаграмм пластического течения, когда одна составляющая деформируется, например, по механизму Людерса, а другая - с мартенситным превращением. Ответ на это вопрос может иметь большой практический смысл, связанный с технологией обработки давлением биметаллических материалов типа «конструкционная сталь – нержавеющая сталь» [2], часто используемых в химическом машиностроении для изготовления реакционных колонн, автоклавов, реакторов, теплообменников.

About the authors

S. A Barannikova

Institute of Strength Physics and Materials Science, SB RAS, Tomsk, Russian Federation

Y. V Li

Institute of Strength Physics and Materials Science, SB RAS, Tomsk, Russian Federation

References

  1. Pelleg J. Mechanical Properties of Materials. - Dordrecht: Springer, 2013. - 634 p
  2. Засуха П.Ф., Корщиков В.Д., Бухвалов О.Б., Ершов А.А. Биметаллический прокат. - Москва: Металлургия, 1971. – 264 с
  3. Khodadad Motarjemi A., Koçak M., Ventzke V. Mechanical and fracture characterization of a bi-material steel plate // Int. J. Press. Vess. Pip. - 2002. – Vol. 79. – No. 3. – P. 181–191. doi: 10.1016/S0308-0161(02)00012-
  4. Gao X., Jiang Z., Wei D., Jiao S., Chen D., Xu J., Zhang X., Gong D. Effects of temperature and strain rate on microstructure and mechanical properties of high chromium cast iron/low carbon steel bimetal prepared by hot diffusion-compression bonding // Mater. Des. – 2014. – Vol. 63. – P. 650–657. doi: 10.1016/j.matdes.2014.06.06
  5. Xiao X.F., Ye S.P., Yin W.X., Xue Q. HCWCI/Carbon steel bimetal liner by liquid-liquid compound lost foam casting // J. Iron Steel Res. – 2012. – Vol. 19. – P. 13–19. doi: 10.1016/S1006-706X(12)60145-
  6. Li Y., Gong M., Wang K., Li P., Yang X., Tong W. Diffusion behavior and mechanical properties of high chromium cast iron/low carbon steel bimetal // Mater. Sci. Eng. А. - 2018. – Vol. 718. – P. 260-266. doi: 10.1016/j.msea.2018.01.111
  7. Li Z., Lin Y.C., Zhang L., Jiang F., Jiang Z., Jiao S. Investigation of compact tensile and fracture mechanical properties of a duplex stainless steel bimetal composite with the interfacial zone // J. Mater. Res. Tech. - 2022. – Vol. 19. – P. 809-820. doi: 10.1016/j.jmrt.2022.05.08
  8. Li Z., Zhao J., Jiang F., Liang X., Zhang Q., Yuan X., Jiao S., Jiang Z. Interfacial characteristics and mechanical properties of duplex stainless steel bimetal composite by heat treatment // Mater. Sci. Eng. А. – 2020. – Vol. 787. – P. 139513:1-24. doi: 10.1016/j.msea.2020.13951
  9. E J.C., Huang J.Y., Bie B.X., Sun T., Fezzaa K., Xiao X.H., Sunn W., Luo S.N. Deformation and fracture of explosion-welded Ti/Al plates: A synchrotron-based study // Mater. Sci. Eng. А. - 2016. – Vol. 674. – P. 308-317. doi: 10.1016/j.msea.2016.07.125
  10. Broek D. Elementary Engineering Fracture Mechanics, Dordrecht: Marinus Nijhoff Publishers, 1986. – 501 p. doi: 10.1007/978-94-009-4333-
  11. Wu H.-C. Continuum Mechanics and Plasticity. - New York: Chapmen and Hall/CRC, 2005. – 704 p. doi: 10.1201/978020349199
  12. Asaro R.J., Lubarda V.A. Mechanics of Solid Materials. – Cambridge: Cambridge University Press, 2006. - 860 p
  13. Argon A. Strengthening Mechanism of Crystal Plasticity. – Oxford: University Press, 2008. – 404 p.
  14. Rizov V. Fracture in Composites - An Overview (Part I) // J. Theor. Appl. Mech. – 2012. – Vol. 42. - P. 3-42. doi: 10.2478/v10254-012-0006-
  15. Aifantis E.C. Gradient Material Mechanics: Perspectives and Prospects // Acta Mech. – 2014. – Vol. 225. – P. 999-1012
  16. Borg U. Strain gradient crystal plasticity effects on flow localization // Int. J. Plast. – 2007. – Vol. 23. – P. 1400–1416
  17. Zaiser M. Scale invariance in plastic flow of crystalline solids // Adv. Phys. – 2006. – Vol. 5. – P. 185–245. doi: 10.1080/0001873060058351
  18. Vildeman V.E., Lomakin E.V. and Tretiakova T.V. Yield delay and space-time inhomogeneity of plastic deformation of carbon steel // Mech. Solid. – 2015. - Vol. 50. – No. 4. - P. 412-420
  19. Плехов О.А., Наймарк О.Б., Saintier N., Palin-Luc T. Упругопластический переход в железе: структурные и термодинамические особенности // ЖТФ. – 2009. – Т. 7. - № 8. – С. 56–61
  20. Tretyakova T., Wildemann V. Study of spatial-time inhomogeneity of inelastic deformation and failure in bodies with concentrators by using the digital image correlation and infrared analysis // Proc. Str. Integ. – 2017. – Vol. 5. – P. 318-324
  21. Lebyodkin M.A., Zhemchuzhnikova D.A., Lebedkina T.A., Aifantis E.C. Kinematics of formation and cessation of type B deformation bands during the Portevin-Le Chatelier effect in an AlMg alloy // Res. Phys. 2019. - Vol. 12. – P. 867-869
  22. Shibkov A.A., Gasanov M.F., Zheltov M.A., Zolotov A.E., Ivolgin V.I. Intermittent plasticity associated with the spatio-temporal dynamics of deformation bands during creep tests in an Al-Mg polycrystal // Int. J. Plast. 2016. - Vol. 8. – P. 37-55
  23. Dierke H., Fischer, M. Tutsch, R., Casarotto L. Optical Extensometer for Tracking Propagations Deformation Bands // Tech. Mess. – 2011. – Vol. 78. – P. 211–17. doi: 10.1524/teme.2011.010
  24. Зуев Л.Б., Баранникова С.А. Автоволновая механика пластичности металлов // Вестник ПНИПУ. Механика. - 2019. - № 1. - С. 49-63
  25. Zuev L.B., Barannikova S.A. Autowave physics of material plasticity // Crystals. – 2019. – Vol. 9. - No. 458. - P. 1-30.
  26. Zuev L.B., Barannikova S.A. Quasi-particle approach to the autowave physics of metal plasticity // Metals. - 2020. - V. 10. - P. 1-15
  27. Зуев Л.Б., Хон Ю.А. Пластическое течение как процесс формирования пространственно-вре¬менных структур // Физич. мезомех. - 2021. - Т. 24. - №. 6. С. 5-14.
  28. Kwiecień M., Kopyściański M., Błoniarz R., Muszka K., Majta J. Influence of deformation conditions on the inhomogeneity of plastic flow of structurally graded bimetal systems // Proc. Manuf. – 2018. – Vol. 15. – P. 1649–1655. doi: 10.1016/j.promfg.2018.07.27
  29. Barannikova S., Zuev L., Li Y. Plastic flow heterogeneity and failure of bimetal material // Int. J. GEOMATE. - 2018. – Vol. 14. – P. 112-117. doi: 10.21660/2018.43.357
  30. Shin H.C., Ha T.K., Chang Y.W. Kinetics of deformation induced martensitic transformation in a 304 stainless steel // Scripta Mater. – 2001. -Vol. 45. - No. 7. – P. 823–829
  31. Olson G.B., Cohen M. Kinetics of strain-induced martensitic nucleation // Metall. Mater. Trans. A. – 1975. - Vol. 6. - No. 4. - P. 791–795
  32. Баранникова С.А., Никонова A.M., Колосов С.В. Деформационное поведение аустенитной нержавеющей стали в интервале температур 143 К T 420 К // Вест. ПНИПУ. Мех. – 2021. – № 1. - С. 22–30
  33. Srinivasan N., Raghu N., Venkatraman B. Study on Lüders deformation in welded mild steel using infrared thermography and digital image correlation // Adv. Mater. Res. - 2012. – Vol. 585. – P. 82-86. DOI:/10.4028/www.scientific.net/AMR.585.8
  34. Barenblatt G.I. The Mathematical Theory of Equilibrium Cracks in Brittle Fracture // Adv. Appl. Mech. – 1962. – Vol. 7. – P. 55–129. doi: 10.1016/S0065-2156(08)70121-
  35. Баранникова С.А., Ли Ю.В. Кинетика развития фронтов пластического течения на границе раздела металлов // Изв. вузов. Физ. – 2020. – Vol. -63. – No. 5. – P. 19–24. doi: 10.17223/00213411/63/5/1
  36. Hähner P. Theory of solitary plastic waves // Appl. Phys. - 1994. - Vol. A58. - No. 1. - P. 41-58
  37. Müller A., Segel C., Linderov M., Vinogradov A., Weidner A. Biermann H. The Portevin–Le Châtelier Effect in a Metastable Austenitic Stainless Steel // Metall. Mater. Trans. A. - 2016. – Vol. 47. P. 59–74. doi: 10.1007/s11661-015-2953

Statistics

Views

Abstract - 101

PDF (Russian) - 58

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2024 Barannikova S.A., Li Y.V.

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