DETERMINATION OF INCUBATION CHARACTERISTICS OF THE HIGH RATE PLASTIC DEFORMATION PROCESS OF MATERIALS DURING IMPACT TESTS OF A CYLINDRICAL SAMPLE ON A RIGID ANVIL

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

A fundamentally new method is proposed for assessing the plastic response of a material to dynamic loading during tests of cylindrical specimens impacted against a rigid barrier. Unlike the traditional Taylor test, this study considers a temporal yield criterion based on the concept of incubation time. This approach allows for a transition from averaged rate-based estimates to a more accurate and physically grounded description of material behavior over time. Impact tests of cylindrical specimens against a rigid anvil were conducted to determine the yield strength exhibited by the material at various impact velocities. The material behavior under high rate elastoplastic deformation was investigated. The impact-on-anvil test incorporates new dynamic characteristics of the material, which define the rate sensitivity of the yield strength based on the incubation time criterion. The test results are interpreted as a time-dependent yield strength, i.e., the threshold amplitude of the impact load as a function of its duration. It is shown how the parameters that enable prediction of the rate and temporal dependence of the yield strength under arbitrary impact-wave loading can be estimated from a single test.

About the authors

R. V. Lukashov

Saint Petersburg State University; Institute for Problems in Mechanical Engineering of the RAS

Email: st069218@student.spbu.ru
Saint Petersburg, Russia; Saint Petersburg, Russia

G. A. Volkov

Saint Petersburg State University; Institute for Problems in Mechanical Engineering of the RAS

Email: g.volkov@spbu.ru
Saint Petersburg, Russia; Saint Petersburg, Russia

E. S. Ostropiko

Saint Petersburg State University; Institute for Problems in Mechanical Engineering of the RAS

Email: e.ostropiko@spbu.ru
Saint Petersburg, Russia; Saint Petersburg, Russia

A. A. Gruzdkov

Saint Petersburg State University; Institute for Problems in Mechanical Engineering of the RAS

Email: gruzdkov@mail.ru
Saint Petersburg, Russia; Saint Petersburg, Russia

Yu. V. Petrov

Saint Petersburg State University; Institute for Problems in Mechanical Engineering of the RAS

Email: y.v.petrov@spbu.ru
Saint Petersburg, Russia; Saint Petersburg, Russia

References

  1. Taylor G.I. The use of flat-ended projectiles for determining dynamic yield stress. I. Theoretical considerations // Proc. R. Soc., Ser. A. 1948. V. 194. №. 1038. P. 289–299. https://doi.org/10.1098/rspa.1948.0081
  2. Chapman D.J., Radford D.D., Walley S.M. A History of the Taylor Test and Its Present Use in the Study of Lightweight Materials // Conference: Design and Use of Light- Weight Materials. 2005. P. 14–24.
  3. Von Karman T., Duwez P. The Propagation of Plastic Deformation in Solids // J. Appl. Phys. 1950. V. 21. № 10. P. 987–994. https://doi.org/10.1063/1.1699544
  4. Рахматулин Х.А. О распространении волны разгрузки // ПММ. 1945. Т. 9. № 1. С. 91–100.
  5. Пахнутова Н.В., Боянгин Е.Н., Шкода О.А., Зелепугин С.А. Микротвердость и динамический предел текучести медных образцов при ударе по жесткой стенке // Advanced Engineering Research. 2022. V. 22. № 3. P. 224–231. https://doi.org/10.23947/2687-1653-2022-22-3-224-231
  6. Rodionov E.S., Lupanov V.G., Grachyova N.A., Mayer P.N., Mayer A.E. Taylor Impact Tests with Copper Cylinders: Experiments, Microstructural Analysis and 3D SPH Modeling with Dislocation Plasticity and MD-Informed Artificial Neural Network as Equation of State // Metals. 2022. V. 12. № 2. P. 264. https://doi.org/10.3390/met12020264
  7. Баяндин Ю.В., Билалов Д.А., Уваров С.В. Верификация широкодиапазонных определяющих соотношений для упруговязкопластических материалов c использованием теста Тейлора–Гопкинсона // Вычислительная механика сплошных сред. 2020. Т. 13. № 4. P. 449–458. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2020.13.4.35
  8. Narayan, Khan D., Chakraborty S. Axisymmetric model for Taylor im- pact test and estimation of metal plasticity using nonlinear deformation profile // J. Braz. Soc. Mech. Sci. Eng. 2023. V. 45. №. 3. P.128. https://doi.org/10.1007/s40430-023-04059-3
  9. Kyzioł L. Dynamic Properties of 40hm Steels at High Strain-Rates // Transactions of FAMENA. 2019. V. 43. № 4. P. 55–68. https://doi.org/10.21278/TOF.43405
  10. Zelepugin S.A., Cherepanov R.O., Pakhnutova N.V. Optimization of Johnson–Cook Constitutive Model Parameters Using the Nesterov Gradient-Descent Method // Materials. 2023. V. 16. № 15. P. 5452. https://doi.org/10.3390/ma16155452
  11. Włodarczyk E., Janiszewski J., Koperski W., Bazela R., Magier M. Estimation of Yield Stress in Tungsten Rods at High Strain-rates by Taylor’s Impact Technique // Conference: 26th International Symposium on Ballistics, 2011.
  12. Hawkyard J.B. A theory for the mushrooming of flat-ended projectiles impinging on a flat rigid anvil, using energy considerations // Int. J. Mech. Sci. 1969. V. 11. № 3. P. 313–333. https://doi.org/10.1016/0020-7403(69)90049-6
  13. Hawkyard J.B., Eaton D., Johnson W. The mean dynamic yield strength of copper and low carbon steel at elevated temperatures from measurements of the “mushrooming” of flat-ended projectiles // Int. J. Mech. Sci. 1968. V. 10. № 12. P. 929–930. https://doi.org/10.1016/0020-7403(68)90048-9
  14. Jones S.E., Gillis P.P., Foster J.C. On the equation of motion of the undeformed section of a Taylor impact specimen // J. Appl. Phys. 1987. V. 61. № 2. P. 499–502. https://doi.org/10.1063/1.338249
  15. Jones S.E., Maudlin P.J., Foster J.C. An engineering analysis of plastic wave propagation in the Taylor test // Int. J. Impact Eng. 1997. V. 19. № 2. P. 95–106. https://doi.org/10.1016/S0734-743X(96)00020-6
  16. House J.W., Lewis J.C., Gillis P.P., Wilson L.L. Estimation of Flow Stress under High Rate Plastic Deformation // Int. J. Impact Eng. 1995. V. 16. № 2. P. 189–200. https://doi.org/10.1016/0734-743x(94)00042-u
  17. Eakins D., Thadhani N.N. Analysis of dynamic mechanical behavior in reverse Taylor anvil- on-rod impact tests // Int. J. Impact Eng. 2007. V. 34. № 11. P. 1821–1834. https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2006.11.001
  18. Gao C., Iwamoto T. Instrumented Taylor impact test for measuring stress- strain curve through single trial // Int. J. Impact Eng. 2021. V. 157. P. 103980. https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2021.103980
  19. Suh N. An investigation of the dynamic behavior of an annealed low carbon steel by means of stress pulse amplification // Int. J. Mech. Sci. 1967. V. 9. № 7. P. 415–431. https://doi.org/10.1016/0020-7403(67)90037-9
  20. Wilkins M.L., Guinan M.W. Impact of Cylinders on a rigid boundary // J. Appl. Phys. 1973.
  21. V. 44. № 3. P. 1200–1206. https://doi.org/10.1063/1.1662328
  22. Kruszka L., Anaszewicz Ł., Janiszewski J., Grązka M. Experimental and numerical analysis of Al6063 duralumin using Taylor impact test // EPJ Web of Conferences. 2012. V. 26. P. 01062. https://doi.org/10.1051/epjconf/20122601062
  23. Volkov G., Bratov V., Borodin E., Evstifeev A., Mikhailova N. Numerical simulations of impact Taylor tests // Journal of Physics: Conference Series. 2020. V. 1556. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1556/1/012059
  24. Zukas J.A., Nicholas T., Swift H.F., Greszczuk L.B., Curran D.R. Impact Dynamics. New York: Wiley, 1982.
  25. Kraft J.M., Sullivan A.M. Effect of Grain Size and Carbon Content on Yield Delay Time of Mild Steel // Transactions of the American Society of Metals. 1959. V. 51. P. 643.
  26. Суворова Ю.В. Запаздывание текучести в сталях // Журнал прикладной математики и технической физики. 1968. Т. 9. № 3. P. 55–62.
  27. Gruzdkov A .A., Petrov Yu.V. On Temperature-Time Correspondence in High-Rate Deformation of Metals // Doklady Physics. 1999. V. 44. № 2. P. 114–116.
  28. Gruzdkov A.A., Sitnikova E.V., Morozov N.F., Petrov Yu.V. Thermal effect in dynamic yielding and fracture of metals and alloys // Math. Mech. Solids. 2009. V. 14. P. 72–87. https://doi.org/10.1177/1081286508092603
  29. Petrov Yu.V., Borodin E.N. Relaxation Mechanism of Plastic Deformation and Its Justification Using the Example of the Sharp Yield Point Phenomenon in Whiskers // Phys. Solid State. 2015. V. 57. № 2. P. 353–359. https://doi.org/10.1134/s1063783415020286
  30. Selyutina N.S., Borodin E.N., Petrov Yu.V, Mayer A.E. The definition of characteristic times of plastic relaxation by dislocation slip and grain boundary sliding in copper and nickel. // Int. J. Plast. 2016. V. 82. P. 97–111. https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2016.02.004
  31. Selyutina N.S., Petrov Yu.V. Prediction of the Dynamic Yield Strength of Metals Using Two Structural–Temporal Parameters. // Phys. Solid State. 2018. V. 60. № 2. P. 244–249. https://doi.org/10.1134/s1063783418020221
  32. Petrov Yu.V., Gruzdkov A.A., Sitnikova E.V. Anomalous Behavior of Yield Stress upon an Increase in Temperature under High Strain Rate Conditions // Doklady Physics. 2007. V. 52. № 12. P. 691–694. https://doi.org/10.1134/s1028335807120129

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».