ОСОБЕННОСТИ ДЕФОРМАЦИИ БИМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛАСТИНЫ

Баранникова, С.А.; Ли, Ю.В.

doi:10.15593/perm.mech/2024.3.04

ОСОБЕННОСТИ ДЕФОРМАЦИИ БИМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛАСТИНЫ

С.А. Баранникова, Ю.В. Ли

Сведения об авторах

С.А. Баранникова
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, Российская Федерация
Ю.В. Ли
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, Российская Федерация

https://doi.org/10.15593/perm.mech/2024.3.04

Рассматриваются особенности макроскопической локализации пластического течения при одноосном растяжении плоской биметаллической пластины. Ось растяжения образца была ориентирована нормально к направлению прокатки. Исследуемый биметалл «низко- углеродистая сталь – нержавеющая сталь» применяется в химическом машиностроении для изготовления реакционных колонн, автоклавов, реакторов, теплообменников. Кривая пластического течения биметалла после площадки текучести в области больших пласти- ческих деформаций расположена между кривыми для его составляющих – нержавеющей аустенитной стали (AISI 304) и низкоуглеродистой стали (ASTM A414 grade A). Визуализа- ция полос локализованной пластической деформации и регистрация кинетики их движения осуществлялись на рабочей части образца методом спекл-фотографии. Установлено, что на площадке текучести пластическая деформация в виде фронтов Людерса зарождается на границе раздела «плакирующий слой – основной слой биметалла» и распространяется в основном слое низкоуглеродистой стали, в то время как менее пластичный плакирующий слой нержавеющей стали деформируется упруго. Затем совместно с основным начинают пластически деформироваться также и плакирующие слои в виде распространения фрон- тов Портевена – Ле Шателье. Процесс разрушения биметалла также начинается с локали- зации пластической деформации вблизи структурных неоднородностей и концентраторов напряжения в области контакта слоев двух разнородных металлов. Сформированные на ранних стадиях пластического течения в этой области концентраторы напряжений иниции- руют образование высокоамплитудной области локализации деформации, которая явля- ется предвестником формирования шейки в образце и дальнейшего вязкого разрушения биметалла.

Ключевые слова

прочностьпластическая деформацияразрушениелокализациябиметалл

Литература

1.Pelleg, J. Mechanical properties of materials / J. Pelleg. – Dordrecht: Springer, 2013. – 634 p. Scholar
2.Биметаллический прокат / П.Ф. Засуха, В.Д. Корщиков, О.Б. Бухвалов, А.А. Ершов. – М.: Металлургия, 1971. – 264 с. Scholar
3.Khodadad Motarjemi, A. Mechanical and fracture charac- terization of a bi-material steel plate / A. Khodadad Motarjemi, M. Koçak, V. Ventzke // Int. J. Press. Vess. Pip. – 2002. – Vol. 79, no. 3. – P. 181–191. DOI: 10.1016/S0308-0161(02)00012-1 Scholar
4.Effects of temperature and strain rate on microstructure and mechanical properties of high chromium cast iron/low carbon steel bimetal prepared by hot diffusion-compression bonding / X. Gao, Z. Jiang, D. Wei, S. Jiao, D. Chen, J. Xu, X. Zhang, D. Gong // Mater. Des. – 2014. – Vol. 63. – P. 650–657. DOI: 10.1016/j.matdes.2014.06.067 Scholar
5.HCWCI/Carbon steel bimetal liner by liquid-liquid com- pound lost foam casting / X.F. Xiao, S.P. Ye, W.X. Yin, Q. Xue // J. Iron Steel Res. – 2012. – Vol. 19. – P. 13–19. DOI: 10.1016/S1006-706X(12)60145-9 Scholar
6.Diffusion behavior and mechanical properties of high chromium cast iron/low carbon steel bimetal / Y. Li, M. Gong, K. Wang, P. Li, X. Yang, W. Tong // Mater. Sci. Eng. А. – 2018. – Vol. 718. – P. 260–266. DOI:10.1016/j.msea.2018.01.111 Scholar
7.Investigation of compact tensile and fracture mechanical properties of a duplex stainless steel bimetal composite with the interfacial zone / Z. Li, Y.C. Lin, L. Zhang, F. Jiang, Z. Jiang, S. Jiao // J. Mater. Res. Tech. – 2022. – Vol. 19. – P. 809–820. DOI: 10.1016/j.jmrt.2022.05.085 Scholar
8.Interfacial characteristics and mechanical properties of du- plex stainless steel bimetal composite by heat treatment / Z. Li, J. Zhao, F. Jiang, X. Liang, Q. Zhang, X. Yuan, S. Jiao, Z. Jiang // Mater. Sci. Eng. А. – 2020. – Vol. 787. – P. 139513:1-24. DOI: 10.1016/j.msea.2020.139513 Scholar
9.Deformation and fracture of explosion-welded Ti/Al plates: A synchrotron-based study / J.C. E, J.Y. Huang, B.X. Bie, T. Sun, K. Fezzaa, X.H. Xiao, W. Sunn, S.N. Luo // Mater. Sci. Eng. А. – 2016. – Vol. 674. – P. 308–317. DOI: 10.1016/j.msea.2016.07.125 Scholar
10.Broek, D. Elementary engineering fracture mechanics / D. Broek. – Dordrecht: Marinus Nijhoff Publishers, 1986. – 501 p. DOI: 10.1007/978-94-009-4333-9 Scholar
11.Wu, H.-C. Continuum Mechanics and Plasticity / H.-C. Wu. – New York: Chapmen and Hall/CRC, 2005. – 704 p. DOI: 10.1201/9780203491997 Scholar
12.Asaro, R.J. Mechanics of solid materials / R.J. Asaro, V.A. Lubarda. – Cambridge: Cambridge University Press, 2006. – 860 p. Scholar
13.Argon, A. Strengthening mechanism of crystal plasticity / A. Argon. – Oxford: University Press, 2008. – 404 p. Scholar
14.Rizov, V. Fracture in composites – an overview (Part I) / V. Rizov // J. Theor. Appl. Mech. – 2012. – Vol. 42. – P. 3–42. DOI: 10.2478/v10254-012-0006-z Scholar
15.Aifantis, E.C. Gradient material mechanics: perspectives and prospects / E.C. Aifantis // Acta Mech. – 2014. – Vol. 225. – P. 999–1012. Scholar
16.Borg, U. Strain gradient crystal plasticity effects on flow localization / U. Borg // Int. J. Plast. – 2007. – Vol. 23. – P. 1400–1416. Scholar
17.Zaiser, M. Scale invariance in plastic flow of crystalline solids / M. Zaiser // Adv. Phys. – 2006. – Vol. 5. – P. 185–245. DOI: 10.1080/00018730600583514 Scholar
18.Vildeman, V.E. Yield delay and space-time inhomogene- ity of plastic deformation of carbon steel / V.E. Vildeman, E.V. Lomakin, T.V. Tretiakova // Mech. Solid. – 2015. – Vol. 50, no. 4. – P. 412–420. Scholar
19.Упругопластический переход в железе: структурные и термодинамические особенности / О.А. Плехов, О.Б. Най- марк, N. Saintier, T. Palin-Luc // ЖТФ. – 2009. – Т. 7, № 8. – С. 56–61. Scholar
20.Tretyakova, T. Study of spatial-time inhomogeneity of in- lastic deformation and failure in bodies with concentrators by using the digital image correlation and infrared analysis / T. Tretyakova, V. Wildemann // Proc. Str. Integ. – 2017. – Vol. 5. – P. 318–324. Scholar
21.Kinematics of formation and cessation of type B defor- mation bands during the Portevin-Le Chatelier effect in an AlMg alloy / M.A. Lebyodkin, D.A. Zhemchuzhnikova, T.A. Lebedkina, E.C. Aifantis // Res. Phys. 2019. – Vol. 12. – P. 867–869. Scholar
22.Intermittent plasticity associated with the spatio- temporal dynamics of deformation bands during creep tests in an Al-Mg polycrystal / A.A. Shibkov, M.F. Gasanov, M.A. Zheltov, A.E. Zolotov, V.I. Ivolgin // Int. J. Plast. 2016. – Vol. 8. – P. 37–55. Scholar
23.Optical extensometer for tracking propagations deformation bands / H. Dierke, M. Fischer, R. Tutsch, L. Casarotto // Tech. Mess. – 2011. – Vol. 78. – P. 211–17. DOI:10.1524/tme.2011.0106 Scholar
24.Зуев, Л.Б. Автоволновая механика пластичности ме- таллов / Л.Б. Зуев, С.А. Баранникова // Вестник ПНИПУ. Ме- ханика. – 2019. – № 1. – С. 49–63. Scholar
25.Zuev, L.B. Autowave physics of material plasticity / L.B. Zuev, S.A. Barannikova // Crystals. – 2019. – Vol. 9, no. 458. – P. 1–30. Scholar
26.Zuev, L.B. Quasi-particle approach to the autowave physics of metal plasticity / L.B. Zuev, S.A. Barannikova // Met- als. – 2020. – Vol. 10. – P. 1–15. Scholar
27.Зуев, Л.Б. Пластическое течение как процесс форми- рования пространственно-временных структур / Л.Б. Зуев, Ю.А. Хон // Физич. мезозем. – 2021. – Т. 24, № 6. – С. 5–14. Scholar
28.Influence of deformation conditions on the inhomogenei- ty of plastic flow of structurally graded bimetal systems / M. Kwiecień, M. Kopyściński, R. Bloniarz, K. Muszka, J. Majta // Proc. Manuf. – 2018. – Vol. 15. – P. 1649–1655. DOI: 10.1016/j.promfg.2018.07.272 Scholar
29.Barannikova, S. Plastic flow heterogeneity and failure of bimetal material / S. Barannikova, L. Zuev, Y. Li // Int. J. GEOMATE. – 2018. – Vol. 14. – P. 112–117. DOI: 10.21660/2018.43.3578 Scholar
30.Shin, H.C. Kinetics of deformation induced martensitic transformation in a 304 stainless steel / H.C. Shin, T.K. Ha, Y.W. Chang // Scripta Mater. – 2001. – Vol. 45, no. 7. – P. 823–829. Scholar
31.Olson, G.B. Kinetics of strain-induced martensitic nucle- ation / G.B. Olson, M. Cohen // Metall. Mater. Trans. A. – 1975. – Vol. 6, no. 4. – P. 791–795. Scholar
32.Баранникова, С.А. Деформационное поведение аустенитной нержавеющей стали в интервале температур 143 К < Т < 420 К / С.А. Баранникова, А.М. Никонова, С.В. Колосов // Вестник ПНИПУ. Механика. – 2021. – № 1. – С. 22–30. Scholar
33.Srinivasan, N. Study on Lüders deformation in welded mild steel using infrared thermography and digital image correlation / N. Srinivasan, N.Raghu, B. Venkatraman // Adv. Mater. Res. – 2012. – Vol. 585. – P. 82–86. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.585.82 Scholar
34.Barenblatt, G.I. The Mathematical Theory of Equilibrium Cracks in Brittle Fracture / G.I. Barenblatt // Adv. Appl. Mech. – 1962. – Vol. 7. – P. 55–129. DOI: 10.1016/S0065-2156(08)70121-2 Scholar
35.Баранникова, С.А. Кинетика развития фронтов пла- стического течения на границе раздела металлов / С.А. Баран- никова, Ю.В. Ли // Изв. вузов. Физ. – 2020. – Vol. 63, № 5. – P. 19–24. DOI: 10.17223/00213411/63/5/19 Scholar
36.Hähner, P. Theory of solitary plastic waves / P. Hähner // Appl. Phys. – 1994. – Vol. A58, no. 1. – P. 41–58. Scholar
37.The Portevin – Le Châtelier effect in a metastable austen- itic stainless steel / A. Müller, C. Segel, M. Linderov, A. Vinogra- dov, A. Weidner, H. Biermann // Metall. Mater. Trans. A. – 2016. – Vol. 47. – P. 59–74. DOI: 10.1007/s11661-015-2953-x Scholar

1.Pelleg J. Mechanical Properties of Materials. Dordrecht: Springer, 2013, 634 p. Scholar
2.Zasukha P.F., Korshchikov V.D., Bukhvalov O.B., Ershov A.A. Bimetallicheskii prokat [Bimetallic Rolling]. Moscow, Met- allurgiya, 1971, 264 p. Scholar
3.Khodadad Motarjemi A., Kocak M., Ventzke V. Mechani- cal and fracture characterization of a bi-material steel plate, Inter- national Journal of Pressure Vessels and Piping, 2002, vol. 79, no. 3, pp. 181–191. DOI: 10.1016/S0308-0161(02)00012-1 Scholar
4.Gao X., Jiang Z., Wei D., Jiao S., Chen D., Xu J., Zhang X., Gong D. Effects of temperature and strain rate on mi- crostructure and mechanical properties of high chromium cast iron/low carbon steel bimetal prepared by hot diffusion- compression bonding, Materials and Design, 2014, vol. 63, pp. 650–657. DOI: 10.1016/j.matdes.2014.06.067 Scholar
5.Xiao X.F., Ye S.P., Yin W.X., Xue Q. HCWCI/Carbon steel bimetal liner by liquid-liquid compound lost foam casting, Journal of Iron and Steel Research, 2012, vol. 19, pp. 13–19. DOI: 10.1016/S1006-706X(12)60145-9 Scholar
6.Li Y., Gong M., Wang K., Li P., Yang X., Tong W. Diffu- sion behavior and mechanical properties of high chromium cast iron/low carbon steel bimetal, Materials Science and Engineering A, 2018, vol. 718, pp. 260-266. DOI: 10.1016/j.msea.2018.01.111 Scholar
7.Li Z., Lin Y.C., Zhang L., Jiang F., Jiang Z., Jiao S. Inves- tigation of compact tensile and fracture mechanical properties of a duplex stainless steel bimetal composite with the interfacial zone, Journal of Materials Research and Technology, 2022, vol. 19, pp. 809-820. DOI: 10.1016/j.jmrt.2022.05.085 Scholar
8.Li Z., Zhao J., Jiang F., Liang X., Zhang Q., Yuan X., Jiao S., Jiang Z. Interfacial characteristics and mechanical properties of duplex stainless steel bimetal composite by heat treatment, Mater- rials Science and Engineering A, 2020, vol. 787, pp. 139513:1-24. DOI: 10.1016/j.msea.2020.139513 Scholar
9.E J.C., Huang J.Y., Bie B.X., Sun T., Fezzaa K., Xiao X.H., Sunn W., Luo S.N. Deformation and fracture of explosion-welded Ti/Al plates: A synchrotron-based study, Materials Science and Engineering A, 2016, vol. 674, pp. 308-317. DOI: 10.1016/j.msea.2016.07.125. Scholar
10.Broek D. Elementary Engineering Fracture Mechanics. Dordrecht, Marinus Nijhoff Publishers, 1986, 501 p. DOI: 10.1007/978-94-009-4333-9 Scholar
11.Wu H.-C. Continuum Mechanics and Plasticity. New York, Chapmen and Hall/CRC, 2005, 704 p. DOI: 10.1201/9780203491997 Scholar
12.Asaro R.J., Lubarda V.A. Mechanics of Solid Materials. Cambridge: Cambridge University Press, 2006, 860 p. Scholar
13.Argon A. Strengthening Mechanism of Crystal Plasticity. Oxford, University Press, 2008. 404 p. Scholar
14.Rizov V. Fracture in Composites – An Overview (Part I), Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2012, vol. 42, pp. 3-42. DOI: 10.2478/v10254-012-0006-z Scholar
15.Aifantis E.C. Gradient Material Mechanics: Perspectives and Prospects, Acta Mechanica, 2014, vol. 225, pp. 999-1012. Scholar
16.Borg U. Strain gradient crystal plasticity effects on flow localization, International Journal of Plasticity, 2007, vol. 23, pp. 1400-1416. Scholar
17.Zaiser M. Scale invariance in plastic flow of crystalline solids, Advances in Physics, 2006, vol. 5, pp. 185-245. DOI: 10.1080/00018730600583514 Scholar
18.Vildeman V.E., Lomakin E.V. and Tretiakova T.V. Yield delay and space-time inhomogeneity of plastic deformation of carbon steel, Mechanics of Solids, 2015, vol. 50, no. 4, pp. 412-420. Scholar
19.Plechov O.A., Naimark O.B., Saintier N., Palin-Luc T. Elastic-plastic transition in iron: structure and thermodynamic features. Technical Physics, 2009, vol. 7, no. 8, pp. 56-61. Scholar
20.Tretyakova T., Wildemann V. Study of spatial-time inhomogeneity of inelastic deformation and failure in bodies with concentrators by using the digital image correlation and infrared analysis. Procedia Structural Integrity, 2017, vol. 5, pp. 318-324. Scholar
21.Lebyodkin M.A., Zhemchuzhnikova D.A., Lebedkina T.A., Aifantis E.C. Kinematics of formation and cessation of type B deformation bands during the Portevin-Le Chatelier effect in an Al-Mg alloy, Results in Physics, 2019, vol. 12, pp. 867-869. Scholar
22.Shibkov A.A., Gasanov M.F., Zheltov M.A., Zolotov A.E., Ivolgin V.I. Intermittent plasticity associated with the spatiotemporal dynamics of deformation bands during creep tests in an Al-Mg polycrystal. International Journal of Plasticity, 2016, vol. 8, pp. 37-55. Scholar
23.Dierke H., Fischer, M. Tutsch, R., Casarotto L. Optical Extensometer for Tracking Propagations Deformation Bands [Optisches extensometer zur verfolgung propagierender verformungsbander], Technisches Messen, 2011, vol. 78, pp. 211-17. DOI: 10.1524/teme.2011.0106 Scholar
24.Zuev L.B., Barannikova S.A. Avtovolnovaya mehanika plastichnosti metallov [Autowave mechanics of metal plasticity]. PNRPU Mechanics Bulletin, 2019, no.1, pp. 49-63. Scholar
25.Zuev L.B., Barannikova S.A. Autowave Physics of Material Plasticity. Crystals, 2019, vol. 9, no. 9, pp. 458-488. Scholar
26.Zuev L.B., Barannikova S.A. Quasi-particle approach to the autowave physics of metal plasticity, Metals, 2020, vol. 10, pp. 1-15. Scholar
27.Zuev L.B., Khon Y.A. Plastic Flow as Spatiotemporal Structure Formation. Part I. Qualitative and Quantitative Patterns, Physical Meseomechanics, 2022, vol. 25, no. 2, pp. 103 - 110. Scholar
28.Kwiecień M., Kopyściński M., Bloniarz R., Muszka K., Majta J. Influence of deformation conditions on the inhomogeneity of plastic flow of structurally graded bimetal systems, Procedia Manufacturing, 2018, vol. 15, pp. 1649-1655. DOI: 10.1016/j.promfg.2018.07.272 Scholar
29.Barannikova S., Zuev L., Li Y. Plastic flow heterogeneity and failure of bimetal material, International Journal of GEOMATE, 2018, vol. 14, pp. 112-117. DOI:10.21660/2018.43.3578 Scholar
30.Shin H.C., Ha T.K., Chang Y.W. Kinetics of deformation induced martensitic transformation in a 304 stainless steel. Scripta Materialia, 2001, vol. 45, no. 7, pp. 823-829. Scholar
31.Olson G.B., Cohen M. Kinetics of strain-induced martensitic nucleation. Metallurgical and Materials Transactions A, 1975, vol. 6. No. 4, pp. 791-795. Scholar
32.Barannikova S.A., Nikonova A.M., Kolosov S.V. Deformationen povećenje austenitnoj nezhvajehšej stali v interval temperature \(143\mathrm{K}< \mathrm{T}< 420\mathrm{K}\) [Studying Deformation Behaviors in Austenitic Stainless Steels within a Temperature Range of \(143\mathrm{K}< \mathrm{T}< 420\mathrm{K}\) ], PNRPU Mechanics Bulletin, 2021, no. 1, pp. 22-30. Scholar
33.Srinivasan N., Raghu N., Venkatraman B. Study on Lüders deformation in welded mild steel using infrared thermography and digital image correlation, Advanced Materials Research, 2012, vol. 585, pp. 82-86. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.585.82 Scholar
34.Barenblatt G.I. The Mathematical Theory of Equilibrium Cracks in Brittle Fracture. Advances in Applied Mechanics, 1962, vol. 7, pp. 55-129. DOI: 10.1016/S0065-2156(08)70121-2 Scholar
35.Barannikova, S.A., Li, Y.V. Development Kinetics of the Plastic Wave Front at the Metal Interface, Russian Physics Journal, 2020, vol. 63, pp. 731-737 (2020). DOI: 10.1007/s11182-020-02091-7 Scholar
36.Hähner P. Theory of solitary plastic waves. Applied Physics, 1994, vol. A58, no. 1, pp. 41-58. Scholar
37.Müller A., Segel C., Linderov M., Vinogradov A., Weidner A. Biermann H. The Portevin-Le Châtelier Effect in a Metastable Austenitic Stainless Steel, Metallurgical and Materials Transactions A, 2016, vol. 47, pp. 59-74. DOI: 10.1007/s11661-015-2953-x Scholar

Другие статьи выпуска

Весь выпуск (№ 3, 2024)

Скачать PDF

Информация о статье

Опубликована: 05.09.2024
В выпуске: 05.09.2024
Выпуск: № 3 (2024)

ОСОБЕННОСТИ ДЕФОРМАЦИИ БИМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛАСТИНЫ

Ключевые слова

Features of deformation of a bimetallic plate

Keywords

Литература

Другие статьи выпуска

Информация о статье

ОСОБЕННОСТИ ДЕФОРМАЦИИ БИМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛАСТИНЫ

Аннотация

Ключевые слова

Features of deformation of a bimetallic plate

Keywords

Литература

Другие статьи выпуска

Информация о статье