ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ МЕХАНИЗМОВ И ЭФФЕКТОВ ЛОКАЛИЗАЦИИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ В СПЛАВЕ АМГ6 ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

Аннотация


Обосновывается один из механизмов локализации пластической деформации при высокоскорост- ном нагружении, связанном со структурными переходами в дефектной структуре материалов. Для этого проводились эксперименты по изучению локализации пластической деформации в ско- шенных 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 деформа- ции, обусловленный термопластической неустойчивостью в осуществленных условиях нагружения, для сплава АМг6 не реализуется. Проведены структурные исследования динамически нагруженных образцов на оптическом микро- скопе 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 темпе- ратурных 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 пластиче- ской деформации при реализованных условиях нагружении в сплаве АМг6 обусловлен структурными переходами в дефектной структуре материала.

Полный текст

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).

Об авторах

М. А Соковиков

Институт механики сплошных сред УрО РАН

M. Ю Симонов

Пермский национальный исследовательский политехнический университет,

В. В Чудинов

Институт механики сплошных сред УрО РАН

С. В Уваров

Институт механики сплошных сред УрО РАН

В. А Оборин

Институт механики сплошных сред УрО РАН

О. Б Наймарк

Институт механики сплошных сред УрО РАН

Список литературы

  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

Статистика

Просмотры

Аннотация - 58

PDF (Russian) - 32

Cited-By


PlumX


© Соковиков М.А., Симонов M.Ю., Чудинов В.В., Уваров С.В., Оборин В.А., Наймарк О.Б., 2023

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах