blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2022-4-261-267blackmet-2297Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEКинетика деформации Людерса как автоволнового процессаKinetics of Lüders deformation as an autowave processhttps://orcid.org/0000-0002-5741-7574ДаниловВ. И.DanilovV. I.

Владимир Иванович Данилов, д.ф.-м.н., профессор, главный научный сотрудник лаборатории физики прочности

634055, Россия, Томск, пр. Академический, 2/4

Vladimir I. Danilov, Dr. Sci. (Phys.-math.), Prof., Chief Researcher of the Laboratory of Strength Physics

2/4 Akademi­cheskii  Ave., Tomsk 634055, Russian Federation

dvi@ispms.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6464-6159ГорбатенкоВ. В.GorbatenkoV. V.

Вадим Владимирович Горбатенко, к.ф.-м.н., старший научный сотрудник лаборатории физики прочности

634055, Россия, Томск, пр. Академический, 2/4

Vadim V. Gorbatenko, Cand. Sci. (Phys.-math.), Senior Researcher of the Laboratory of Strength Physics

2/4 Akademi­cheskii  Ave., Tomsk 634055, Russian Federation

gvv@ispms.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4124-0516ДаниловаЛ. В.DanilovaL. V.

Лидия Владиславовна Данилова, младший научный сотрудник лаборатории физики прочности

634055, Россия, Томск, пр. Академический, 2/4

Lidiya V. Danilova, Junior Researcher of the Laboratory of Strength Physics

2/4 Akademi­cheskii  Ave., Tomsk 634055, Russian Federation

lidaakbo@rambler.ruИнститут физики прочности и материаловедения СО РАНРоссияInstitute of Strength Physics and Materials Science, Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202205052022654261267Copyright © Данилов В.И., Горбатенко В.В., Данилова Л.В., 20222022Данилов В.И., Горбатенко В.В., Данилова Л.В.Danilov V.I., Gorbatenko V.V., Danilova L.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/2297

Исследованы природа и кинетика подвижных фронтов локализованной деформации, которые формируются на упруго­пластическом переходе в материалах с дислокационным и мартенситным микромеханизмами реализации пластического течения при активном растяжении с различными скоростями. Для регистрации и количественного описания движения фронтов использована методика корреляции цифровых изображений. Обсуждение полученных результатов проведено в рамках синергетического подхода. Деформируемый объект рассматривается как открытая, далекая от равновесия система – активная среда, содержащая распределенные источники потенциальной энергии, которые представляют собой микроконцентраторы напряжений. В ходе внешнего воздействия эти концентраторы релаксируют путем реализации микросдвигов и вызывают формоизменение самого объекта. Каждый микроконцентратор может рассматриваться как активный элемент, который имеет два состояния: метастабильное упругонапряженное и стабильное релаксированное. В результате внешнего воздействия переход возможен только из первого состояния во второе. Такие элементы характеризуются как триггерные, а активная среда как бистабильная. В бистабильных средах распространяются автоволны переключения, представляющие собой подвижные границы, которые разделяют метастабильное и стабильное состояния. В рамках этой концепции рассматриваемые фронты локализованной деформации можно интерпретировать как автоволны переключения. Результаты исследования показали, что форма и кинетические параметры фронтов локализованной деформации не зависят от химического состава, структуры и  микромеханизма деформации, что подтверждает их автоволновую природу. С другой стороны, кинетика автоволн переключения должна определяться параметрами внешнего воздействия. Действительно, скорость фронтов локализованной деформации возрастает с ростом скорости растяжения. Установлено, что зависимость скорости этих фронтов от скорости деформирования нелинейная параболическая с  показателем степени меньше единицы и одинакова для всех исследованных материалов.

The authors investigated the nature and kinetics of the moving fronts of localized deformation, which are formed at the elastoplastic transition in materials with dislocation and martensitic micromechanisms of plastic deformation under active tension at different velocity. Digital image correlation was used for registration and quantitative specification of front movement. Attained results were discussed under synergistic approach. A deformed subject is considered as open and far-from-equilibrium system (active medium) containing distributed potential energy source stress, which are microconcentrators. In process of external influence these concentrators relax through microslip and cause a form change of the object itself. Each microconcentrator can be considered as an active element, it has two states: metastable elastically stressed and stable relaxed. In external influence, transition is possible only from the first state to the second. Such elements are characterized as trigger elements and active medium is characterized as a bistable medium. In bistable media, switching autowaves propagate. They represent moving boundaries, which separate metastable and stable states. Within this concept considered fronts of localized deformation can be interpreted as switching autowaves. The study showed that shape and kinetic parameters of fronts of localized deformation do not depend on chemical composition, structure and micromechanisms of deformation, it confirms their autowave nature. On the other hand, the kinetics of switching autowaves should be determined by characteristics of the external influence. Genuinely, velocity of localized deformation fronts increases with deformation velocity. It is found that dependence of these fronts on deformation velocity is non-linear parabolic with index less than one and equally for all examining materials.

упругопластический переходфронты полос Чернова–Людерсаактивные средыавтоволны переключения локализованной пластичностикинетика автоволн переключенияметод корреляции цифровых изображенийскорость автоволнскорость деформированияelastoplastic transitionChernov–Lüders bands frontsactive mediumswitching autowaves of localized plasticitykinetics of switching autowavesdigital image correlationautowave speeddeformation velocityРабота выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ № 21-29-00171.The work was supported by the grant of the Russian Science Foundation (project No. 21-29-00171).ReferencesЗуев Л.Б. Автоволновая пластичность. Локализация и коллективные моды. М.: Физматлит, 2018. 208 с.Zuev L.B. Autowave Plasticity. Localization and Collective Modes. Moscow: Fizmatlit, 2018, 208 p. (In Russ.).Zuev L.B., Barannikova S.A., Danilov V.I., Gorbatenko V.V. Plasticity: from crystal lattice to macroscopic phenomena // Progress in Physics of Metals. 2021. Vol. 22. No. 1. P. 3–57. https://doi.org/10.15407/ufm.22.01.003Zuev L.B., Barannikova S.A., Danilov V.I., Gorbatenko V.V. Plasticity: from crystal lattice to macroscopic phenomena. Progress in Physics of Metals. 2021, vol. 22, no. 1, pp. 3–57. https://doi.org/10.15407/ufm.22.01.003Krinsky V.I. Self-Organization: Autowaves and Structures Far from Equilibrium. Berlin: Springer-Verlag, 1984. 270 p.Krinsky V.I. Self-Organization: Autowaves and Structures Far from Equilibrium. Berlin: Springer-Verlag, 1984, 270 p.Васильев В.А., Романовский Ю.М., Яхно В.Г. Автоволновые процессы. М.: Наука, 1987. 240 с.Vasil’ev V.A., Romanovskii Yu.M., Yakhno V.G. Autowave Proces­ses. Moscow: Nauka, 1987, 240 p. (In Russ.).Mikhailov A.S. Foundation of Synergetics. Berlin–Heidelberg: Springer-Verlag, 1990. 187 p.Mikhailov A.S. Foundation of Synergetics. Berlin–Heidelberg: Springer-Verlag, 1990, 187 p.Скотт Э. Нелинейная наука. Рождение и развитие когерентных структур / Пер. с англ. И.А. Макарова под ред. А.Л. Фрадкова. М.: Физматлит, 2007. 559 с.Scott A. Nonlinear Science. Emergence and Dinamics of Cohe­rent Structures. Oxford: University Press, 2003. (Russ. ed.: Scott  A. Nelineinaya nauka. Rozhdenie i razvitie kogerentnykh struktur. Moscow: Fizmatlit, 2007, 559 p.).Автоволновые процессы в нелинейных средах с диффузией / Е.Ф. Мищенко, В.А. Садовничий, А.Ю. Колесов, Н.Х. Розов. М.: Физматлит, 2010. 399 с.Mishchenko E.F., Sadovnichii V.A., Kolesov A.Yu., Rozov N.Kh. Autowave Processes in Nonlinear Media with Diffusion. Moscow: Fizmatlit, 2010, 399 p. (In Russ.).Gilman J.J. Micromechanics of shear banding // Mechanics of Materials. 1994. Vol. 17. No. 2-3. P. 83–96. https://doi.org/10.1016/0167-6636(94)90051-5Gilman J.J. Micromechanics of shear banding. Mechanics of Materials. 1994, vol. 17, no. 2-3, pp. 83–96. https://doi.org/10.1016/0167-6636(94)90051-5Mughrabi H. On the current understanding of strain gradient plasti­city // Material Science and Engineering: A. 2004. Vol. 387-389. P. 209–213. https://doi.org/10.1016/j.msea.2004.01.086Mughrabi H. On the current understanding of strain gradient plasti­city. Material Science and Engineering: A. 2004, vol. 387-389, pp.  209–213. https://doi.org/10.1016/j.msea.2004.01.086Pelleg J. Mechanical Properties of Materials. Dordrecht: Springer, 2013. 633 p.Pelleg J. Mechanical Properties of Materials. Dordrecht: Springer, 2013, 633 p.Криштал М.М. Взаимосвязь неустойчивости и мезоскопичес­кой неоднородности пластической деформации. III. Моделирование и анализ прерывистой текучести с учетом ее зависимости от степени деформации и скорости растяжения // Физика металлов и металловедение. 2005. Т. 100. № 3. С. 12–21.Krishtal M.M. Interrelation between the instability and mesoscopic inhomogeneity of plastic deformation: III. Simulation and analysis of discontinuous flow with allowance for its dependence on the degree of deformation and rate of tension. Physics of Metals and Me­tallography. 2005, vol. 100, no. 3, pp. 208–217.Петров Ю.В., Бородин И.Н. Релаксационный механизм пластического деформирования и его обоснование на примере явления зуба текучести в нитевидных кристаллах // Физика твердого тела. 2015. Т. 57. № 2. С. 336–341. http://doi.org/10.3103/S002565441504007XPetrov Yu.V., Borodin I.N. Relaxation mechanism of plastic deformation and its justification using the example of the sharp yield point phenomenon in whiskers. Solid State Physics. 2015, vol. 57, no. 2, pp. 353–359. https://doi.org/10.1134/S1063783415020286Žerovnik A., Pepel V., Prebil I., Kunc R. The yield-point phenomenon and cyclic plasticity of the uniaxially loaded specimens // Materials and Design. 2015. Vol. 92. P. 971–977. http://doi.org/10.1016/j.matdes.2015.12.111Žerovnik A., Pepel V., Prebil I., Kunc R. The yield-point pheno­menon and cyclic plasticity of the uniaxially loaded specimens. Materials and Design. 2015, vol. 92, pp. 971–977. http://doi.org/10.1016/j.matdes.2015.12.111Назаров В.Е. Дислокационная нелинейность и нелинейные волновые процессы в поликристаллах с дислокациями // Физика твердого тела. 2016. Т. 58. № 9. С. 1665–1673.Nazarov V.E. Dislocation nonlinearity and nonlinear wave processes in polycrystals with dislocations. Solid State Physics. 2016, vol. 58, no. 9, pp. 1719–1728. https://doi.org/10.1134/S1063783416090249Плехов О.А., Наймарк О.Б., Saintier N., Palin-Luc T. Упругоплас­тический переход в железе: структурные и термодинамические особенности // Журнал технической физики. 2009. Т. 79. № 8. С. 56–61.Plekhov O.A., Naimark O.B., Saintier N., Palin-Luc T. Elastic-plastic transition in iron: Structural and thermodynamic features. Technical Physics. 2009, vol. 54, no. 8, pp. 1141–1146. https://doi.org/10.1134/S1063784209080088Vildeman V.E., Lomakin E.V., Tretiakova T.V. Yield delay and space-time inhomogeneity of plastic deformation of carbon steel // Mechanics of Solids. 2015. Vol. 50. No. 4. P. 412–420. http://doi.org/10.3103/S002565441504007XVildeman V.E., Lomakin E.V., 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. http://doi.org/10.3103/S002565441504007XShaw J.A., Kyriakides S. On the nucleation and propagation of phase transformation fronts in NiTi alloy // Acta Materialia. 1997. Vol. 45. No. 2. P. 683–700. http://doi.org/10.1016/S1359-6454(96)00189-9Shaw J.A., Kyriakides S. On the nucleation and propagation of phase transformation fronts in NiTi alloy. Acta Materialia. 1997, vol. 45, no. 2, pp. 683–700. http://doi.org/10.1016/S1359-6454(96)00189-9Чумляков Ю.И., Киреева И.В., Панченко Е.Ю., Тимофеева Е.Е. Механизмы термоупругих мартенситных превращений в высокопрочных монокристаллах сплавов на основе железа и никелида титана. Томск: Изд-во НТЛ, 2016. 243 с.Chumlyakov Yu.I., Kireeva I.V., Panchenko E.Yu., Timofeeva E.E. Mechanisms of Thermoelastic Martensitic Transformations in High-Strength Monocrystals of Alloys Based on Iron and Titanium Ni­ckelide. Tomsk: NTL, 2016, 243 p. (In Russ.).Sutton M.A. Digital Image Correlation for Shape and Deformation Measurements. Springer Handbooks. Boston MA: Springer, 2008. P. 565–600.Sutton M.A. Digital Image Correlation for Shape and Deformation Measurements. Springer Handbooks. Boston MA: Springer, 2008, pp. 565–600.Sun H.B., Yoshida F., Ohmori M., Ma X. Effect of strain rate on Lüders band propagating velocity and Lüders strain for annealed mild steel under uniaxial tension // Materials Letters. 2008. Vol. 57. No. 29. P. 4535–4539. https://doi.org/10.1016/S0167-577X(03)00358-6Sun H.B., Yoshida F., Ohmori M., Ma X. Effect of strain rate on Lüders band propagating velocity and Lüders strain for annealed mild steel under uniaxial tension. Materials Letters. 2008, vol. 57, no. 29, pp. 4535–4539. https://doi.org/10.1016/S0167-577X(03)00358-6Данилов В.И., Горбатенко В.В., Зуев Л.Б., Орлова Д.В., Данилова Л.В. Исследование деформации Людерса в малоуглеродистой стали // Известия вузов. Черная металлургия. 2017. Т. 60. № 10. С. 831–838. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2017-10-831-838Danilov V.I., Gorbatenko V.V., Zuev L.B., Orlova D.V., Danilova  L.V. Investigation of Lüders deformation in the mild steel. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2017, vol. 60, no. 10, pp. 831–838. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2017-10-831-838Данилов В.И., Зуев Л.Б., Горбатенко В.В., Данилова Л.В., Орлова Д.В. Автоволновое описание пластичности материалов с нестабильной фазовой структурой на макромасштабном уровне // Журнал технической физики. 2021. Т. 91. № 2. С. 267–274. https://doi.org/10.21883/JTF.2021.02.50361.35-20Danilov V.I., Zuev L.B., Gorbatenko V.V., Danilova L.V., Orlova  D.V. Autowave description of plasticity of materials with un­stable phase structure at the macroscale level. Technical Physics. 2021, vol.  66, no. 2, pp. 255–262. https://doi.org/10.21883/JTF.2021.02.50361.35-20

The authors declare that there are no conflicts of interest present.