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

Abstract

Plastic deformation reflects a fundamental mechanism that dominates several applications, from industrial and manufacturing processes to the structural integrity and operability of mechanical systems. Plastic deformation can be described either as undesirable regarding structural integrity cases or as necessary in the case of forming manufacturing processes where homogeneous and controllable deformation is required. Metals and alloys develop stable and homogenous plastic deformation under low strain and strain-rates, with slipping and twinning being the dominant mechanisms for the expansion of dislocations and deformation progress. In contrast, at higher strain and strain-rates, unstable deformation mechanisms such as adiabatic shear banding (ASB) may occur, leading to dynamic failure. The current doctoral dissertation studies the ASB formation during high strain-rate compression and blanking processes, for different materials and strain-rates. The examined materials contain the AISI 1045 carbon steel, the AISI 304 stainless steel and the Ti6Al4V titanium alloy. This work investigates both experimentally and numerically the ASB formation during the deformation progress. For the experimental analysis, dynamic compression and blanking tests are carried out in a Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) system for different strain-rates and at different strain levels through interrupted tests in case of compression in order to indicate a gradual and stage-by-stage evolution character to the ASB mechanism. The post-experimental analysis contains the extraction of the stress – strain curves in order to evaluate the mechanism macroscopically regarding its connection to deformation instability, as well as the microstructural examination of ASB areas. The last one includes the usage of optical microscopy for determining the ASB type, morphology and geometrical characteristics, as well as electron backscatter diffraction (EBSD) technique for analyzing the microstructural evolution mechanisms inside the ASB core. Digital image correlation (DIC) is also conducted to visualize the developed strain field and detect macroscopically the shear strain localization paths. In addition, microhardness measurements are collected in the ASB region, its transition zone and the surrounding matrix, to detect high hardness zones which act as further evidence of possible grain refinement and rapid cooling, both representing ASB features. Finally, fractography techniques are implemented for examining the fractured surfaces and evaluating their connection to the ASB formation. For the numerical investigation, finite element (FE) simulations are conducted in the LS-Dyna software for both compression and blanking tests and for all examined materials. This study develops a doubly-coupled FE analysis by implementing both mechanical-thermal and mechanical-damage couplings in parallel. In that way, both thermal softening and damage softening mechanisms, which remain the two dominant macroscopic mechanisms which drive plasticity progress especially at high strain-rates, are evaluated throughout their competition, attributing them distinct roles regarding the ASB initiation, evolution and transition to fracture. The developed FE models follow a thermo-viscoplastic approach for both constitutive relation and damage law utilizing the modified Johnson-Cook equations. Also, a damage evolution rule is implemented based on the strain increment and the strain failure. Finally, the mechanical-thermal coupling is achieved with the usage of the Taylor-Quinney coefficient together with the thermo-viscoplastic constitutive relation, while the coupling between the mechanical and damage fields is conducted by introducing the damage-equivalent stress and strain fields in the constitutive relation. Adiabatic shear band (ASB) formation is controlled by the interplay of material properties, strain-rate and loading state, occurring primarily under dynamic conditions and being strongly promoted by shear-dominated loading such as blanking. Among the materials studied, Ti6Al4V shows the highest susceptibility to ASB initiation and damage-driven fracture, SS304 exhibits strong resistance under compression but increased sensitivity under high strain-rate pure shear and AISI 1045 generally demonstrates more delayed localization. Increasing strain-rate consistently lowers the critical strain for instability due to enhanced thermal and damage softening. The developed double-coupled thermo–viscoplastic–damage finite element framework successfully captured ASB initiation, evolution and fracture across materials and loading conditions, confirming the key roles of thermal softening and damage in governing localization and providing a reliable predictive tool for shear-induced failure under extreme dynamic loading. Regarding the ASB morphology, both steels showed increased sensitivity to dASB formation, while Ti6Al4V promoted more tASB and cracking. This work provides a systematic experimental–numerical investigation of adiabatic shear band (ASB) formation across different materials (AISI 1045, SS304, Ti6Al4V), strain-rates and loading conditions (compression and blanking), enabling direct comparison of material-dependent localization behavior under identical conditions. It advances understanding of ASB evolution by linking band morphology, microstructural development and fracture transition to strain-rate and stress state. The study also clarifies the material-specific roles and interaction of thermal and damage softening in ASB initiation and evolution reflecting an aspect which was not previously well established, indicating that thermal softening precedes the damage one only in the case of carbon steel, while the damage softening dominates throughout the whole ASB formation for the stainless steel and titanium alloy.

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.