Изучение механизма разрушения сплавов локализованным сдвигом при динамическом нагружении

  • Михаил Альбертович Соковиков Институт механики сплошных сред УрО РАН
  • Василий Валерьевич Чудинов Институт механики сплошных сред УрО РАН
  • Владимир Александрович Оборин Институт механики сплошных сред УрО РАН
  • Сергей Витальевич Уваров Институт механики сплошных сред УрО РАН
  • Олег Борисович Наймарк Институт механики сплошных сред УрО РАН
Ключевые слова: локализация пластического сдвига, динамическое нагружение, численное моделирование, эволюция дефектной структуры, исследование рельефа поверхности деформированных образцов

Аннотация

Эксперименты по динамическому нагружению образцов из сплава АМг6 проводились на стержне Гопкинсона-Кольского и при пробивании преград. Термодинамика процесса деформирования с целью идентификации характерных стадий локализации деформации исследовалась in-situ путем регистрации температурных полей с использованием высокоскоростной инфракрасной камеры CEDIP Silver 450M. Измеренная в зонах локализации температура не подтверждает традиционные представления о механизме локализации деформации, обусловленном термопластической неустойчивостью. Проведены динамические испытания образцов специальной формы, разработанных для изучения локализации пластической деформации из сплавов Сталь 3, АМг6 и Д16 на разрезном стержне Гопкинсона-Кольского с применением системы неинвазивного измерения деформаций StrainMaster. Построены поля перемещений и деформаций в этих образцах. Сравнение экспериментально полученных полей температур и полей деформаций с результатами численного моделирования, реализованного с учётом особенностей кинетики накопления мезодефектов в материале, дает удовлетворительное соответствие с точностью ~20%. В сохраненных после экспериментов образцах исследовался рельеф поверхности с помощью оптического интерферометра-профилометра NewView-5010 с последующей обработкой 3D данных деформационного рельефа, а также вычислением масштабного инварианта (показателя Хёрста) и пространственного масштаба области, на которой наблюдается коррелированное поведение мезодефектов. Данные экспериментов и анализа рельефа поверхности деформированных образцов, а также данные численного моделирования, учитывающего кинетику накопления мезодефектов в материале, позволяют предполагать, что один из механизмов локализации пластической деформации при высокоскоростном нагружении обусловлен скачкообразными процессами в дефектной структуре материалов.

Литература


  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. Solid. 1987. Vol. 35. P. 95-119. https://doi.org/10.1016/0022-5096(87)90030-5

  2. Bai Y.L. Thermo-plastic instability in simple shear // J. Mech. Phys. Solid. 1982. Vol. 30. P. 195-207. https://doi.org/10.1016/0022-5096(82)90029-1

  3. Clifton R.J., Duffy J., Hartley K.A., Shawki T.G. On critical conditions for shear band formation at high strain rates // Scripta Metall. 1984. Vol. 18. P. 443-448. https://doi.org/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 Phenomena. 1988. Vol. 3-4. P. 447-467. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.3-4.447

  6. Molinari A. Collective behavior and spacing of adiabatic shear bands // J. Mech. Phys. Solid. 1997. Vol. 45. P. 1551-1575. http://dx.doi.org/10.1016/S0022-5096(97)00012-4

  7. Molinari A., Clifton R.J. Localisation de la déformation viscoplastique en cisaillement simple, résultats exacts en théorie non-linéaire // C. R. l'Acad. Sci., Ser. II. 1983. Vol. 296. P. 1-4.

  8. Wright T.W. Shear band susceptibility: Work hardening materials // Int. J. Plast. 1992. Vol. 8. P. 583-602. https://doi.org/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. P. 927-934. https://doi.org/10.1016/S0749-6419(96)00034-4

  10. Wright T.W., Walter J.W. On stress collapse in adiabatic shear bands // J. Mech. Phys. Solid. 1987. Vol. 35. P. 701-720. https://doi.org/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. Solid. 2006. Vol. 54. P. 1376-1400. https://doi.org/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. A. 2008. Vol. 496. P. 291-302. https://doi.org/10.1016/j.msea.2008.07.043

  13. McDowell D.L. A perspective on trends in multiscale plasticity // Int. J. Plast. 2010. Vol. 26. P. 1280-1309. https://doi.org/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. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijplas.2010.03.002

  15. Bronkhorst C.A., Cerreta E.K., Xue Q., Maudlin P.J., Mason T.A., Gray G.T. An experimental and numerical study of the localization behavior of tantalum and stainless steel // Int. J. Plast. 2006. Vol. 22. P. 1304-1335. https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2005.10.002

  16. Cerreta E.K., Frank I.J., Gray G.T., Trujillo C.P., Korzekwa D.A., Dougherty L.M. The influence of microstructure on the mechanical response of copper in shear // Mater. Sci. Eng. A. 2009. Vol. 501. P. 207-219. https://doi.org/10.1016/j.msea.2008.10.029

  17. Rittel D., Wang Z.G., Merzer M. Adiabatic shear failure and dynamic stored energy of cold work // Phys. Rev. Lett. 2006. Vol. 96. 075502. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.96.075502

  18. Rittel D. A different viewpoint on adiabatic shear localization // J. Phys. Appl. Phys. 2009. Vol. 42. 214009. https://doi.org/10.1088/0022-3727/42/21/214009

  19. Osovski S., Nahmany Y., Rittel D., Landau P., Venkert A. On the dynamic character of localized failure // Scripta Mater. 2012. Vol. 67. P. 693-695. http://dx.doi.org/10.1016/j.scriptamat.2012.07.001

  20. Grady D.E. Properties of an adiabatic shear-band process zone // J. Mech. Phys. Solid. 1992. Vol. 40. P. 1197-1215. https://doi.org/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. Solid. 1987. Vol. 35. P. 95-119. https://doi.org/10.1016/0022-5096(87)90030-5

  22. Nesterenko V.F., Meyers M.A., Wright T.W. Self-organization in the initiation of adiabatic shear bands // Acta Mater. 1998. Vol. 46. P. 327-340. https://doi.org/10.1016/S1359-6454(97)00151-1

  23. Nesterenko V.F., Xue Q., Meyers M.A. Self-organization of shear bands in Ti, Ti-6%Al-4%V, and 304 stainless steel // J. Phys. IV France. 2000. Vol. 10. P. Pr9-269-Pr9-274. https://doi.org/10.1051/jp4:2000945

  24. Xue Q., Meyers M.A., Nesterenko V.F. Self-organization of shear bands in titanium and Ti-6Al-4V alloy // Acta Mater. 2002. Vol. 50. P. 575-596. http://dx.doi.org/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. Solid. 1988. Vol. 36. P. 251-283. https://doi.org/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. P. 59-71. https://doi.org/10.1016/0167-6636(88)90006-3

  27. Yang Y., Zheng H.G., Shi Z.J., Zhang Q.M. Effect of orientation on self-organization of shear bands in 7075 aluminum alloy // Mater. Sci. Eng. A. 2011. Vol. 528. P. 2446-2453. http://dx.doi.org/10.1016/j.msea.2010.12.050

  28. Mott N.F., Jones H. The theory of the properties of metals and alloys. Dover Publications, 1958. 326 p.

  29. 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. https://doi.org/10.1016/S0749-6419%2801%2900004-3

  30. Johnson G.R., Cook W.H. A constitutive model and data for metals subjected to large strains, high strain rates and high temperatures // Proc. of the 7th Int. Symp. on Ballistics. Hague, Netherlands, April 19-21, 1983. P. 541-547.

  31. 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. Solid. Struct. 2004. Vol. 41. P. 3109-3124. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2004.01.008

  32. 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. P. 81-93. https://doi.org/10.1016/0001-6160(88)90030-2

  33. Наймарк О.Б. Коллективные свойства ансамблей дефектов и некоторые нелинейные проблемы пластичности и разрушения // Физ. мезомех. 2003. Т. 6, № 4. C. 45-72.

  34. 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, P. Mariano. Boston, Birkhäuser, 2004. P. 75-114. https://doi.org/10.1007/978-0-8176-8158-6_4

  35. Образец для испытания на сдвиг (варианты) и способ испытаний его: пат. 2482463 Российская Федерация / Наймарк О.Б., Баяндин Ю.В., Соковиков М.А., Плехов О.А., Уваров С.В., Банников М.В., Чудинов В.В. – № 2011114711/28; заявл. 14.04.2011; опубл. 20.05.2013, Бюл. № 14.

  36. Sokovikov M., Bilalov D., Oborin V., Chudinov V., Uvarov S., Bayandin Y., Naimark O. Structural mechanisms of formation of adiabatic shear bands // Frattura ed Integrita Strutturale. 2016. Vol. 38. P. 296-304. https://doi.org/10.3221/IGF-ESIS.38.40

  37. Билалов Д.А., Соковиков М.А., Чудинов В.В., Оборин В.А., Баяндин Ю.В., Терёхина А.И., Наймарк О.Б. Численное моделирование и экспериментальное исследование локализации пластической деформации при динамическом нагружении образцов в условиях близких к чистому сдвигу // Вычисл. мех. сплош. сред. 2017. Т. 10, № 1. С. 103‑112. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2017.10.1.9

  38. Froustey C., Наймарк О.Б., Пантелеев И.А., Билалов Д.А., Петрова А.Н., Ляпунова Е.А. Многомасштабные механизмы структурной релаксации и разрушения в условиях адиабатического сдвига // Физ. мезомех. 2017. Т. 20, № 1. С. 33-44. (English version https://doi.org/10.1134/S1029959917010039)

  39. Билалов Д.А., Баяндин Ю.В., Наймарк О.Б. Математическое моделирование процесса разрушения сплава АМг2.5 в режиме много- и гигацикловой усталости // Вычисл. мех. сплош. сред. 2018. Т. 11, № 3. С. 323-334. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2018.11.3.24

  40. 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.

  41. Bouchaud E. Scaling properties of cracks // J. Phys. Condens. Matter. 1997. Vol. 9. P. 4319-4344. https://doi.org/10.1088/0953-8984/9/21/002

  42. Oborin V.A., Bannikov M.A., Naimark O.B., Sokovikov M.A., Bilalov D.A. Multiscale study of fracture in aluminum-magnesium alloy under fatigue and dynamic loading // Frattura ed Integrità Strutturale. 2015. Vol. 34. P. 479-483. https://doi.org/10.3221/IGF-ESIS.34.47

Опубликован
2019-09-30
Как цитировать
Соковиков, М. А., Чудинов, В. В., Оборин, В. А., Уваров, С. В., & Наймарк, О. Б. (2019). Изучение механизма разрушения сплавов локализованным сдвигом при динамическом нагружении. Вычислительная механика сплошных сред, 12(3), 301-312. https://doi.org/https://doi.org/10.7242/1999-6691/2019.12.3.26
Раздел
Статьи