Experimental and numerical investigation of the adiabatic shear banding initiation and propagation mechanism under high-strain rate deformation manufacturing processes

Η πλαστική παραμόρφωση αντικατοπτρίζει ένα θεμελιώδη μηχανισμό ο οποίος επικρατεί σε διάφορες εφαρμογές, όπως από τις βιομηχανικές διαδικασίες και αυτές των κατεργασιών, μέχρι την δομική ακεραιότητα και τη λειτουργικότητα μηχανικών συστημάτων. Η πλαστική παραμόρφωση μπορεί να περιγραφθεί είτε ως μη-επιθυμητή αναφορικά με περιπτώσεις δομικής ακεραιότητας, είτε ως αναγκαία σε περιπτώσεις κατεργασιών διαμόρφωσης με πλαστική παραμόρφωση όπου απαιτείται η ομοιογενής και ελεγχόμενη παραμόρφωση. Τα μέταλλα και τα κράματα τους αναπτύσσουν ευσταθή και ομοιογενή πλαστική παραμόρφωση σε χαμηλές παραμορφώσεις και χαμηλούς ρυθμούς παραμόρφωσης, με την ολίσθηση και τις διδυμίες να είναι οι επικρατέστεροι μηχανισμοί για τη διάδοση διαταραχών και την πρόοδο της παραμόρφωσης. Αντίθετα, σε υψηλότερες παραμορφώσεις και ρυθμούς παραμόρφωσης, ασταθείς μηχανισμοί παραμόρφωσης όπως οι αδιαβατικές ζώνες διάτμησης μπορούν να εμφανιστούν, οδηγώντας σε δυναμική αστοχία. Η παρούσα διδακτορική διατριβή μελετά το σχηματισμό των αδιαβατικών ζωνών διάτμησης σε κατεργασίες συμπίεσης και απότμησης υπό υψηλό ρυθμό παραμόρφωσης, για διαφορετικά υλικά και ρυθμούς παραμόρφωσης. Τα εξεταζόμενα υλικά απαρτίζονται από τον AISI 1045 ανθρακούχο χάλυβα, τον AISI 304 ανοξείδωτο χάλυβα και το κράμα τιτανίου Ti6Al4V. Το εκπόνημα αυτό διερευνά τόσο πειραματικά όσο και αριθμητικά το σχηματισμό αδιαβατικών ζωνών διάτμησης κατά την διάρκεια της παραμόρφωσης. Για την πειραματική ανάλυση, δυναμικές δοκιμές συμπίεσης και απότμησης διεξάγονται σε σύστημα ράβδου πίεσης Split Hopkinson (SHPB) για διαφορετικούς ρυθμούς παραμόρφωσης και σε διαφορετικά επίπεδα παραμόρφωσης μέσω διακοπτόμενων δοκιμών στη περίπτωση της συμπίεσης ώστε να αναδειχθεί ο σταδιακός χαρακτήρας της εξέλιξης του μηχανισμού των αδιαβατικών ζωνών διάτμησης. Η μετεπεξεργασία των πειραμάτων εμπεριέχει την εξαγωγή των καμπυλών τάσης – παραμόρφωσης για να αξιολογηθεί ο μηχανισμός μακροσκοπικά αναφορικά με τη σύνδεσή του με την παραμορφωσιακή αστάθεια, όπως και την εξέταση της μικροδομής των περιοχών των αδιαβατικών ζωνών διάτμησης. Η τελευταία εμπεριέχει την χρήση οπτικής μικροσκοπίας για τον προσδιορισμό του τύπου των αδιαβατικών ζωνών διάτμησης, της μορφολογίας και των γεωμετρικών χαρακτηριστικών της, όπως επίσης και τη τεχνική της περίθλασης οπισθοσκέδασης ηλεκτρονίων (EBSD) για την ανάλυση των μηχανισμών ανάπτυξης της μικροδομής εντός του πυρήνα των αδιαβατικών ζωνών διάτμησης. Η μέθοδος DIC επίσης εκτελείται για να οπτικοποιηθεί το αναπτυσσόμενο παραμορφωσιακό πεδίο και να ανιχνευθούν μακροσκοπικά τα ίχνη συγκέντρωσης διατμητικής παραμόρφωσης. Επιπλέον, μετρήσεις μικροσκληρότητας συλλέγονται στη περιοχή της αδιαβατικής ζώνης διάτμησης, της μεταβατικής της ζώνης, και της περιτρέχουσας δομής, για να ανιχνευθούν ζώνες υψηλής σκληρότητας οι οποίες δρουν ως επιπρόσθετη απόδειξη πιθανής εκλέπτυνσης κόκκων και ταχείας απόψυξης, οι οποίες αμφότερες αντιπροσωπεύουν χαρακτηριστικά των αδιαβατικών ζωνών διάτμησης. Τέλος, τεχνικές θραυστογραφίας εκτελούνται για τις εξεταζόμενες επιφάνειες που υπέστησαν θραύση και αξιολογείται η σύνδεσή τους με το σχηματισμό των αδιαβατικών ζωνών διάτμησης.Για την αριθμητική διερεύνηση, προσομοιώσεις πεπερασμένων στοιχείων (ΠΣ) διεξάγονται στο λογισμικό LS-Dyna τόσο για τις δοκιμές συμπίεσης όσο και απότμησης για όλα τα εξεταζόμενα υλικά. Αυτή η μελέτη αναπτύσσει μια διπλά συζευγμένη ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων υλοποιώντας τόσο τη σύζευξη μεταξύ μηχανικού-θερμικού πεδίου όσο και αυτή μεταξύ μηχανικού πεδίου και πεδίου καταστροφής παράλληλα. Κατά αυτόν το τρόπο, τόσο ο μηχανισμός θερμικής εξασθένισης όσο και αυτός της εξασθένισης λόγω καταστροφής, οι οποίοι παραμένουν οι δυο κυριότεροι μακροσκοπικοί μηχανισμοί οι οποίοι καθοδηγούν την εξέλιξη της πλαστικότητας ιδίως σε υψηλούς ρυθμούς παραμόρφωσης, αξιολογούνται κατά την αλληλεπίδρασή τους, αποδίδοντάς τους διακριτούς ρόλους αναφορικά με την δημιουργία και την ανάπτυξη των αδιαβατικών ζωνών διάτμησης, και την μετάβαση τους στην αστοχία. Τα αναπτυχθέντα μοντέλα ΠΣ ακολουθούν μια θερμο-ιξωδοπλαστική προσέγγιση τόσο για την καταστατική εξίσωση υλικού όσο και για το νόμο καταστροφής χρησιμοποιώντας τις εξισώσεις του τροποποιημένου μοντέλου Johnson-Cook. Επίσης, ένας νόμος εξέλιξης της καταστροφής επιβάλλεται βασισμένος στην εξέλιξη της παραμόρφωσης και στην παραμόρφωση αστοχίας. Τέλος, η σύζευξη μηχανικού-θερμικού πεδίου επιτυγχάνεται με τη χρήση του συντελεστή των Taylor-Quinney μαζί με τη θερμο-ιξωδοπλαστική καταστατική εξίσωση υλικού, ενώ η σύζευξη μεταξύ μηχανικού πεδίου και πεδίου καταστροφής διεξάγεται εισάγοντας τα καταστροφικώς ισοδύναμα πεδία τάσης και παραμόρφωσης στην καταστατική εξίσωση υλικού.