The concept of microsimulation of processes of joining dissimilar materials by plastic deformation

Cover Page

Cite item

Abstract

Introduction. Bond strength between dissimilar materials is the most important characteristic of laminated composites, which determines the success of its development for industrial use. In order to develop the theory of joining materials by plastic deformation, it is proposed to perform computer simulation of joint deformation of representative volumes of dissimilar materials on a microscale and compare the parameters of the stress-strain state with the previously presented theoretical mechanism. The aim of this work is to analyze the stress-strain state of dissimilar materials under plastic deformation on a microscale and to establish the location of the onset of fracture of surface oxide films. To achieve this aim, the following tasks of the work are formulated: 1) to study the surface profiles of dissimilar materials to be bonded by plastic deformation; 2) to simulate by the finite element method (FE) the plastic deformation of contact surfaces of dissimilar materials on a microscale; 3) to study the stages of joint deformation of dissimilar materials on a microscale and verify of the theoretical mechanism. Research methodology. The study of three-dimensional topography and roughness was carried out on a Veeco Wyko NT1100 Optical Profiling System. Deform-3D FE simulation package was chosen as the main research tool. Aluminum alloys AMg3 and D16 were chosen as the materials under study. Results and discussion. In this work, computer FE simulating of the joint deformation of the surface layers of AMg3 and D16 alloys on a microscale was performed, an analysis of the surface profiles of materials after various types of processing was carried out, the parameters of the stress-strain state were studied and compared with the parameters of the theoretical mechanism. Based on the results of the comparison, the adequacy of the proposed theoretical mechanism was assessed, and the practical difficulties of theoretical simulation of the joint deformation of dissimilar materials on the microscale were noted. Microscale FE simulation made it possible to study the flow of plastic deformation in the near-surface layers of materials, as well as to identify areas of the most probable fracture of surface oxide films and, consequently, areas of primary bonding of dissimilar materials.

About the authors

D. R. Salikhyanov

Email: d.r.salikhianov@urfu.ru
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, 1. Institute of New Materials and Technologies, Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin, 19 Mira Str., Ekaterinburg, 620002, Russian Federation; 2.Institute of Engineering Science, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 34 Komsomolskaya Str., Ekaterinburg, 620049, Russian Federation; d.r.salikhianov@urfu.ru

N. S. Michurov

Email: n.michurov@ya.ru
1. Institute of Engineering Science, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 34 Komsomolskaya Str., Ekaterinburg, 620049, Russian Federation; 2. Ural Institute of State Fire Service of EMERCOM of Russia, 22 Mira Str., Ekaterinburg, 620062, Russian Federation; n.michurov@ya.ru

References

  1. Joining by forming – A review on joint mechanisms, applications and future trends / P. Groche, S. Wohletz, M. Brenneis, C. Pabst, F. Resch // Journal of Materials Processing Technology. – 2014. – Vol. 214. – P. 1972–1994. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2013.12.022.
  2. Joining by plastic deformation / K.-I. Mori, N. Bay, L. Fratini, F. Micari, A.E. Tekkaya // CIRP Annals – Manufacturing Technology. – 2013. – Vol. 62. – P. 673–694. – doi: 10.1016/j.cirp.2013.05.004.
  3. Jamaati R., Toroghinejad M.R. Cold roll bonding bond strengths: review // Materials Science and Technology. – 2011. – Vol. 27, iss. 7. – P. 1101–1108. – doi: 10.1179/026708310X12815992418256.
  4. Li L., Nagai K., Yin F. Progress in cold roll bonding of metals // Science and Technology of Advanced Materials. – 2008. – Vol. 9. – P. 023001. – doi: 10.1088/1468-6996/9/2/023001.
  5. Rezayat M., Akbarzadeh A. Bonding behavior of Al–Al2O3 laminations during roll bonding process // Materials and Design. – 2012. – Vol. 36. – P. 874–879. – doi: 10.1016/j.matdes.2011.08.048.
  6. Tang C., Liu Z., Zhou D. Surface treatment with the cold roll bonding process for an aluminum alloy and mild steel // Strength of Materials. – 2015. – Vol. 47, iss. 1. – P. 150–155. – doi: 10.1007/s11223-015-9641-3.
  7. Arbo S.M., Westermann I., Holmedal B. Influence of stacking sequence and intermediate layer thickness in AA6082-IF steel tri-layered cold roll bonded composite sheets // Key Engineering Materials. – 2018. – Vol. 767. – P. 316–322. doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/KEM.767.316' target='_blank'>www.scientific.net/KEM.767.316.
  8. The effect of surface preparation on the bond strength of Al-St strips in CRB process / C. Gao, L. Li, X. Chen, D. Zhou, C. Tang // Materials and Design. – 2016. – Vol. 107. – P. 205–211. – doi: 10.1016/j.matdes.2016.05.112.
  9. Study of different surface pre-treatment methods on bonding strength of multilayer aluminum alloys/steel clad material / M. Akdesir, D. Zhou, F. Foadian, H. Palkowski // International Journal of Engineering Research & Science. – 2016. – Vol. 2, iss. 1. – P. 169–177.
  10. Bagheri A., Toroghinejad M.R., Taherizadeh A. Effect of roughness and surface hardening on the mechanical properties of three-layered brass/IF steel/brass composite // Transactions of the Indian Institute of Metals. – 2018. – Vol. 71, iss. 9. – P. 2199–2210. – doi: 10.1007/s12666-018-1351-7.
  11. Macro- and micro-surface engineering to improve hot roll bonding of aluminum plate and sheet / J. Liu, M. Li, S. Sheu, M.E. Karabin, R.W. Schultz // Materials Science and Engineering A. – 2008. – Vol. 479. – P. 45–57. – doi: 10.1016/j.msea.2007.06.022.
  12. Development of a testing procedure to determine the bond strength in joining-by-forming processes / A. Mikloweit, M. Bambach, M. Pietryga, G. Hirt // Advanced Materials Research. – 2014. – Vol. 966–967. – P. 481–488. – doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/AMR.966-967.481' target='_blank'>www.scientific.net/AMR.966-967.481.
  13. Wang A., Ohashi O., Ueno K. Effect of surface asperity on diffusion bonding // Materials Transactions. – 2006. – Vol. 47, iss. 1. – P. 179–184. – doi: 10.2320/matertrans.47.179.
  14. Zhang Ch., Li H., Li M. Role of surface finish on interface grain boundary migration in vacuum diffusion bonding // Vacuum. – 2017. – Vol. 137. – P. 49–55. – doi: 10.1016/j.vacuum.2016.12.021.
  15. Effect of the steel sheet surface hardening state on interfacial bonding strength of embedded aluminum–steel composite sheet produced by cold roll bonding process / Ch. Wang, Y. Jiang, J. Xie, D. Zhou, X. Zhang // Materials Science & Engineering A. – 2016. – Vol. 652. – P. 51–58. – doi: 10.1016/j.msea.2015.11.039.
  16. Danesh Manesh H., Shahabi H.Sh. Effective parameters on bonding strength of roll bonded Al/St/Al multilayer strips // Journal of Alloys and Compounds. – 2009. – Vol. 476, iss. 1–2. – P. 292–299. – doi: 10.1016/j.jallcom.2008.08.081.
  17. Jamaati R., Toroghinejad M.R. The role of surface preparation parameters on cold roll bonding of aluminum strips // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2011. – Vol. 20, iss. 2. – P. 191–197. – doi: 10.1007/s11665-010-9664-7.
  18. Salikhyanov D. Contact mechanism between dissimilar materials under plastic deformation // Comptes Rendus Mecanique. – 2019. – Vol. 347. – P. 588–600. – doi: 10.1016/j.crme.2019.07.002.
  19. Bogatov A., Salikhyanov D. Development of bonding mechanisms for different materials during forming // Metallurgist. – 2017. – Vol. 60, iss. 11–12. – P. 1175–1179. – doi: 10.1007/s11015-017-0424-x.
  20. Буркин С.П., Бабайлов Н.А., Овсянников Б.В. Сопротивление деформации сплавов Al и Mg: справочное пособие. – Екатеринбург: УрФУ, 2010. – 344 с. – ISBN 978-5-321-01755-5.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

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».