Adiabatic Shear in Remco Iron and Quenched and Tempered 4340 Steel

Abstract
Adiabatic shear localization is studied in two ferrous metals, Remco Iron, a high purity alpha iron, and 4340 steel, quenched and tempered at 650°C. Punching-shear experiments are performed in a compressive split-Hopkinson bar producing shear strain rates of 45,000 s^-1. Optical and scanning electron microscopy was performed on the deformed shear specimens to determine the extent of shear localization and mode of failure. Experimental evidence showed that the 4340 steels were susceptible to localization through adiabatic shear banding, however, the Remco iron did not exhibit fine shear bands typical of localization. Finite element simulations of the experiments were performed utilizing a user material subroutine developed as part of this research. This constitutive routine incorporates two adiabatic shear failure criteria : (i) maximum shear stress and (ii) flow localization theory. These criteria proved to be capable of predicting the onset of an instability, however, the deformation which follows the instability was only moderately predicted well.

Résumé
Le phénomène de la localisation du cisaillement adiabatique est étudié pour deux métaux ferreux. Le fer Remco, un fer de haute pureté de type alpha et l'acier 4340, trempé et revenu à 650 C. Des essais de cisaillement par poinconnage ont été effectués avec un système de barres Hopkinson de type compression produisant des taux de déformation par cisaillement de l'ordre de 45,000 s^-1. La microscopie optique et à balayage électronique ont été utilisées sur des échantillons déformés par cisaillement pour déterminer l'étendue de la localisation du cisaillement et le mode de rupture. Les données expérimentales démontrent que les aciers de type 4340 sont susceptible à la localisation par bandes de cisaillement adiabatique, et que par contre, le fer Remco n'a pas affiché des bandes de cisaillement typiques au phénomène de localisation. Des simulations par éléments finis des mêmes expériences ont été effectuées en utilisant une sous-routine maison pour le matériau développée dans le cadre de cette recherche. Cette sous-routine constitutive incorpore deux critères de rupture par cisaillement adiabatique : (I) la contrainte maximale en cisaillement et (II) la théorie de la déformation plastique par localisation. Ces critères ont démontrés leur capacité à prédire adéquatement le début de l'instabilité, mais par contre, la déformation subséquente à l'instabilité n'a été prédite que de façon relativement bonne.