Description of viscoplastic flow accounting for shear banding

• Autorzy: Nowak Z. , Perzyna P. , Pęcherski R. B.

Warianty tytułu

PL

Opis lepkoplastycznego płynięcia z udziałem pasm ścinania

• Konferencja: Scientific Seminar Integrated Study on the Foundations of Plastic Deformation of Metals PLASTMET'06 (5; 28.11-01.12.2006; Łańcut, Poland)
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The subject of the study is concerned with ultra fine grained (ufg) and nanocrystalline metals (nc-metals). Experimental investigations of the behaviour of such materials under quasistatic as well as dynamic loading conditions related with microscopic observations show that in many cases the dominant mechanism of plastic strain is multiscale development of shear deformation modes – called shear banding. The comprehensive discussion of these phenomena in ufg and nc-metals is given in [1], [2] and [3], where it has been shown that the deformation mode of nanocrystalline materials changes as the grain size decreases into the ultrafine region. For smaller grain sizes (d < 300 nm) shear band development occurs immediately after the onset of plastic flow. Significant strain-rate dependence of the flow stress, particularly at high strain rates was also emphasized. Our objective is to propose a new description of viscoplastic deformation, which accounts for the observed shear banding. Viscoplasticity model proposed earlier by P e r z y n a [4], [5] was extended in order to describe the shear banding contribution. The shear banding contribution function, which was introduced formerly by P e c h e r s k i [6], [7] and applied in continuum plasticity accounting for shear banding in [8] and [9] as well as in [10] and [11] plays pivotal role in the viscoplasticity model. The derived constitutive equations were identified and verified with application of experimental data provided in paper [2], where quasistatic and dynamic compression tests of ufg and nanocrystalline iron specimens of a wide range of mean grain size were reported. The possibilities of the application of the proposed description for other ufg and nc-metals are discussed.

PL

Przedmiotem studiów są drobnoziarniste oraz nanokrystaliczne metale. Badania doświadczalne zachowania się takich materiałów w warunkach obciążeń quasistatycznych oraz dynamicznych, w powiązaniu z obserwacjami mikroskopowymi, wykazują, że w wielu wypadkach dominującym mechanizmem odkształcenia plastycznego jest wieloskalowy rozwój form ścinania – zwany zwojem pasmami ścinania. Wyczerpująca dyskusja tych zjawisk zawarta jest w [1], [2] i [3], gdzie wykazano, że forma odkształcenia w materiałach drobnoziarnistych zmienia się, kiedy rozpatrujemy materiały o coraz mniejszym ziarnie. Dla materiałów o średniej wielkości ziarna mniejszej niż 300 nm obserwuje się rozwój pasm ścinania zaraz po inicjacji odkształcenia plastycznego. Podkreślono także znaczący wpływ prędkości odkształcenia na naprężenie płynięcia. Naszym celem jest propozycja nowego opisu odkształcenia lepkoplastycznego, w którym uwzględnia się udział obserwowanego rozwoju pasm ścinania. Model lepkoplastyczności proponowany wcześniej przez P e r z y n e [4], [5] został rozszerzony z wykorzystaniem opisu udziału pasm ścinania. Podstawową rolę w proponowanym modelu lepkoplastyczności odgrywa funkcja udziału pasm ścinania wprowadzona przez P e c h e r s k i e g o [6], [7] i zastosowana w kontynualnej teorii plastyczności z udziałem pasm ścinania w [8] i [9] oraz w [10] i [11]. Dokonano identyfikacji oraz weryfikacji wyprowadzonych równań konstytutywnych z zastosowaniem danych doświadczalnych otrzymanych w testach quasistatycznego i dynamicznego ściskania dla serii próbek wykonanych z drobnoziarnistego i nanokrystalicznego żelaza o szerokim zakresie średniej wielkości ziarna [2]. Przedyskutowano możliwości zastosowania proponowanego opisu do innych metali o budowie drobnoziarnistej i nanokrystalicznej.

Słowa kluczowe

EN

viscoplastic flow; shear bands; nanocrystalline metals; nc-metals; ultra fine grain (ufg)

PL

lepkoplastyczność; pasmo ścinania; metale nanokrystaliczne; metale drobnoziarniste

• Wydawca: Institute of Metallurgy and Materials Science of Polish Academy of Sciences ; Committee of Materials Engineering and Metallurgy of Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Metallurgy and Materials
• Rocznik: 2007
• Tom: Vol. 52, iss. 2
• Strony: 217--222
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Nowak Z.

autor

Perzyna P.

autor

Pęcherski R. B.

• Institute of Fundamental Technological Research PAS, 00-049 Warszawa, 21 Świetokrzyska Str.

Bibliografia

• [1] M. A. Meyers, A. Mishra, D. J. Benson, Mechanical properties of nanocrystalline materials, Progress in Materials Science 51, 427-556 (2006).
• [2] D. Jia, K. T. Ramesh, E. Ma, Effects of nanocrystalline and ultrafine grain sizes on constitutive behavior and shear bands in iron, Acta Mat. 51, 3495-3509 (2003).
• [3] S. Cheng, E. Ma, Y. M. Wang, L.J. Keskes, K. M. Youssef, C. C. Koch, U. P. Trociewitz, K. Han, Tensile properties of in situ consolidated nanostructured Cu, Acta Materialia 53, 1521-1533 (2005).
• [4] P. Perzyna, Fundamental problems in viscoplasticity, Adv. Mech. 9, 243-377 (1966).
• [5] P. Perzyna, Thermodynamic theory of viscoplasticity, Adv. Applied Mechanics 11, 313-354 (1971).
• [6] R. B. Pęcherski, Modelling of large plastic deformation produced by micro-shear banding, Arch. Mech. 44, 563-584 (1992).
• [7] R. B. Pęcherski, Macroscopic measure of the rate of deformation produced by micro-shear banding, Arch. Mech. 49, 385-401 (1997).
• [8] R. B. Pęcherski, Description of plastic deformation of metals accounting for the effects of micro-shear bands, IFTR Reports, 2/1998, IPPT PAN Warszawa, habilitation thesis (in Polish) - available on the website http://prace.ippt.gov.pl (1998).
• [9] R. B. Pęcherski, Macroscopic effects of micro-shear banding in plasticity of metals, Acta Mechanica 131, 203-224 (1998).
• [10] R. B. Pęcherski, Continuum mechanics description of plastic flow produced by micro-shear banding, Technische Mechanik 18, 107-115 (1998).
• [11] R. B. Pęcherski, K. Korbel, Plastic strain in metals by shear banding. I. Constitutive description for simulation of metal shaping operations, Arch. Mech. 54, 603-620 (2002).
• [12] Z. Nowak, R. B. Pęcherski, Plastic strain in metals by shear banding. II. Numerical identification and verification of plastic flow, Arch. Mech. 54, 621-634 (2002).
• [13] H. S. Kim, Y. Estrin, M. B. Bush, Constitutive modelling of strength and plasticity of nanocrystalline metallic materials, Materials Science and Engineering A 316, 195-199 (2001).
• [14] H.-T. Wang, W. Yang, Constitutive modelling for nanocrystalline metals based on kooperative grain boundary mechanisms, J. Mech. Phys. Solids 52, 1151-1173 (2004).
• [15] A. S. Khan, Y. S. Suh, X. Chen, L. Takaes, Nanocrystalline aluminum and iron: Mechanical behavior at quasi-static and high strain rates, and constitutive modeling, Int. J. Plasticity 12, 195-209 (2006).
• [16] R. A. Lebensohn, E. M. Bringa, A. Caro, A viscoplastic micromechanical model for the yield strength of nanocrystalline materials, Acta Materialia 55, 261-271 (2006).
• [17] Y. Wei, C. Su, L. Anand, A computational studyof the mechanical behavior of nanocrystalline fcc metals, Acta Materialia 54, 3177-3190 (2006).
• [18] Y. Wei, L. Anand, A constitutive model for powder-processeed nanocrystalline metals, Acta Materialia 55, 921-931 (2007).
• [19] K. Korbel, Z. Nowak, P. Perzyna, R. B. Pęcherski, Viscoplasticity of nanometals based on Burzynski yield condition, Proc. of the 35th Solid Mechanics Conference SOLMECH 2006, Kraków, September 4-8, Polish Academy of Sciences, Institute of Fundamental Technological Research, 145-146 (2006).
• [20] K. Korbel, R. B. Pęcherski, Plastic flow accounting for shear banding in materials with SDE, Proc. Of the 35th Solid Mechanics Conference SOLMECH 2006, Kraków, September 4-8, Polish Academy of Sciences, Institute of Fundamental Technological Research, 147-148 (2006).
• [21] K. Korbel, Application of the Burzynski yield condition for the description of plastic deformation of materials revealing the Strength Differential Effect, (under preparation).
• [22] C. Truesdell, R. A. Toupin, The classical field theories, Encyclopaedia of Physics, III/1, S. Flügge (ed.), Springer-Verlag, Berlin (1960).
• [23] W. Kosiński, Field singularities and wave analysis in continuum mechanics, PWN, Warszawa and Ellis Horwood, Chichester (1986).
• [24] R. B. Pęcherski, Modelling of shear banding contribution in plastic flow of metals, (under preparation).
• [25] K. Kowalczyk-Gajewska,W. Gambin, R. B. Pęcherski, J. Ostrowska-Maciejewska, Modelling of crystallographic texture development in metals accounting for micro-shear bands, Arch. of Metallurgy and Materials 50, 575-593 (2005).
• [26] K. Kowalczyk-Gajewska, Z. Mróz, R. B. Pęcherski, Micromechanical modelling of polycrystalline materials under nonproportional deformation paths, Arch. of Metallurgy and Materials, submitted for publication.