Modeling of cavitation during hot working

Modélisation de la cavitation au cours de la déformation à chaud

¹ Air Force Research Laboratory, Materials and Manufacturing Directorate, AFRL/MLLM, Wright Patterson Air Force Base, Ohio, USA
² Silver and Baryte Ores Mining Co., S.A., Athens, Greece
³ Department of Materials Science and Mechanics, Michigan State University, East Lansing, Michigan, USA
⁴ Department of Materials Science and Engineering, The University of Michigan, Ann Arbor, Michigan, USA

Abstract

The modeling of cavitation and failure during hot working of ductile metals is reviewed. These models fall into three broad categories - phenomenological, mesoscale mechanistic, and microscale mechanistic. Phenomenological approaches, such as that based on the Cockcroft-and-Latham criterion, seek to relate the occurrence of damage and gross fracture in complex stress states to measurements made under a simple stress state such as uniaxial tension. By contrast, mesoscale models treat the plastic growth of individual cavities and their coalescence. In spite of the need to make assumptions regarding cavity nucléation, reasonable estimates of hot ductility can be obtained from mesoscale techniques. Microscale models describe the mechanisms of the early stages of cavity growth in an attempt to provide a basis for quantifying nucleation-type behavior. These latter models rely on defining the kinetics of nano-void growth under conditions of constrained plastic flow. In this regard, research on the influence of local crystallographic texture on the initiation and growth of cavities is reviewed. The application of the various models to predict cavitation and failure of engineering materials, with spécial reference to Ti-6Al-4V, is summarized. The bridge between modeling approaches at different length scales is also discussed.

Résumé

On présente la modélisation de la cavitation et de la rupture au cours de la déformation à chaud des métaux ductiles. Les modèles appartiennent à trois grandes catégories - phénoménologique, mécanique mésoscopique et mécanique microscopique. Les approches phénoménologiques, comme celle basée sur le critère de Latham et Cockcroft, cherchent à relier l'apparition de l'endommagement et de la rupture globale dans des états de contrainte complexes à des mesures effectuées sous un état de contrainte simple tel que la traction uniaxiale. En revanche, les modèles mésoscopiques traitent de la croissance plastique et de la coalescence de cavités individuelles. Malgré la nécessité d'hypothèses concernant la germination des cavités, des estimations raisonnables de la ductilité à chaud peuvent être obtenues à partir des techniques mésoscopiques. Les modèles microscopiques décrivent les mécanismes des premiers stades de la croissance des cavités, dans l'espoir de fournir une base pour la quantification d'un comportement de type germination. Ces modèles consistent à définir la cinétique de croissance de nano-cavités dans des conditions d'écoulement plastique confiné. A ce sujet, les travaux concernant l’influence de la texture cristallographique locale sur la germination et la croissance des cavités sont présentés. L’application des différents modèles à la prévision de la cavitation et de la rupture de matériaux industriels, en particulier de l’alliage Ti-6Al-4V, est brièvement résumée. Le pont entre les modélisations à différentes échelles est également discuté.