Высокоскоростная пластическая деформация алюминия при испытании по методу Тейлора

Цель работы — оценка изменений микроструктуры алюминия в условиях динамической деформации в довольно широком диапазоне скорости и степени деформации. Исследовано распределение микроструктуры и прочностных свойств в сечении образцов чистого алюминия марки А99 после динамической деформации по схеме Тейлора. Испытания проводили при комнатной температуре с использованием легкогазовой пушки ПГ-20, при скоростях метания образца 127 и 165 м/с. Микроструктуру исследовали с помощью интерференционного микроскопа Leica IM DRM и растрового электронного микроскопа Jeol JSM-6490. Для исследования однородности распределения деформации в образцах использовали микротвердомер HVS-1000. Установлено, что в образцах алюминия после испытания по схеме Тейлора можно выделить три характерные зоны: упругой деформации, пластической деформации, интенсивной пластической деформации, которая располагается в области соударения образца со стальной преградой. Показано, что динамическая деформация приводит к измельчению зеренной структуры от 1 – 1,1 мм до 2,5 – 3 мкм — при больших скоростях удара. В зоне соударения наблюдается вытянутая форма зерен. Использованный метод позволил определить критическую степень деформации, необходимую для начала фрагментации, и объяснить формирование зон слабой и интенсивной деформации. Показано, что критическая степень деформации, соответствующая началу фрагментации зерен, повышается от 0,18 до 0,21 при увеличении скорости метания образца от 127 до 165 м/с. В зоне слабой деформации пластическая деформация протекает путем внутризеренного наклепа и начальных стадий фрагментации. В зоне интенсивной пластической деформации происходит формирование мелкозернистой микроструктуры, которое приводит к повышению микротвердости алюминия в соответствии с уравнением Холла – Петча.

1. Нестеренко Г. И., Кулемин А. В., Ким А. С. и др. Сравнительное исследование характеристик современных алюминиевых сплавов / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2019. Т. 85. № 7. С. 50 – 55. DOI: 10.26896/1028-6861-2019-85-7-50-55

2. Райнхарт Дж. С., Пирсон Дж. Поведение металлов при импульсивных нагрузках. Учебник. — М.: Издательство иностранной литературы, 1958. — 295 с.

3. Эпштейн Г. Н. Строение металлов, деформированных взрывом. Изд. 2-е, перераб. и доп. — М.: Металлургия, 1988. — 279 с.

4. Lord J. D., Morrell R. M. Comparison of static and dynamic methods for measuring stiffness of high modulus steels and metal composites / Canadian Metallurgical Quarterly. 2014. Vol. 53(3). P. 292 – 299.

5. Gray G. T. High-Strain-Rate Deformation: Mechanical Behavior and Deformation Substructures Induced / Annual Review of Materials Research. 2012. Vol. 42(1). P. 285 – 303.

6. Armstrong R. W., Walley S. M. High strain rate properties of metals and alloys / International Materials Reviews. 2008. Vol. 53(3). P. 105 – 128.

7. Borodin E. N., Gruzdkov A. A., Mayer A. E., et al. Physical nature of strain rate sensitivity of metals and alloys at high strain rates / Journal of Physics: Conference Series. 2018. Vol. 991. P. 1 – 9.

8. Брагов А. М., Ломунов А. К., Русин Е. Е. Методика исследования динамических свойств материалов с использованием составных стержней Гопкинсона / Прикладные проблемы прочности и пластичности: Всесоюз межвуз. сб. Вып. 16. — Горький: Горьк. ун-т, 1980. С. 138 – 144.

9. Altenbach H., Öchsner A., eds. Encyclopedia of Continuum Mechanics. — E-book, 2020. — 2837 p.

10. Song B., Jin H., Antoun B. R. Kolsky Tension Bar Techniques for Dynamic Characterization of Alloys / Conference Proceedings of the Society for Experimental Mechanics Series. Bristol. 2011. P. 175 – 178.

11. Sen S., Banerjee B., Shaw A. Taylor Impact Test Revisited: Determination of Plasticity Parameters for Metals at High Strain Rate / International Journal of Solids and Structures. 2020. Vol. 193. P. 357 – 374.

12. Buchar J., Forejt M., Jopek M., Křivánek I. Evaluation of constitutive relations for high strain rate behaviour using the Taylor Test / J. DePhysique 2000. Vol. 9. P. 75 – 80.

13. Meyers M. A. Dynamic Behavior of Materials, 1st ed. — New York: John Wiley & Sons, Inc, 1994. — 327 p.

14. Taylor G. I. The use of flat-ended projectiles for determining dynamic yield stress I. Theoretical considerations / Proc. R. Soc. London Ser. A Math. Phys. Sci. 1948. Vol. 194. P. 289 – 299.

15. Sedaghat H., Xu W., Zhang L., Liu W. On the Constitutive Models for Ultra-High Strain Rate Deformation of Metals / International Journal of Automotive Technology. 2020. Vol. 20. P. 31 – 37. DOI: 10.1007/sec12239-019-0125-5

16. Pakhnutova N. V., Boyangin E. N., Skoda O. A., et al. Microhardness and Dynamic Yield Strength of Copper Samples upon Impact on a Rigid Wall / Advanced Engineering Research. 2022. Vol. 22. N 3. P. 224 – 231.

17. Farhat Z. N., Ding Y., Northwood D. O., Alpas A. T. Effect of grain size on friction and wear of nanocrystalline aluminum / Materials Science and Engineering: A. 2006. Vol. 206(2). P. 302 – 313.

18. Kamikawa N., Huang X., Tsuji N., Hansen N. Strengthening mechanisms in nanostructured high-purity aluminium deformed to high strain and annealed / Acta Materialia. 2009. Vol. 57(14). P. 4198 – 4208.

19. Dangwal S., Edalati K., Valiev R. Z., et al. Breaks in the Hall – Petch Relationship after Severe Plastic Deformation of Magnesium, Aluminum, Copper, and Iron / Crystals. 2023. Vol. 13. P. 413 – 431. DOI: 10.3390/cryst13030413