Modeling of Shear Instabilities Observed in Cylinder Collapse Experiments Performed on Ceramic Powders

Brittle materials fail by microcracking and fragmentation when subjected to multiaxial loading. In some cases full comminution occurs and the material behavior becomes governed by the flow of particles. In this work a granular model developed by Anand and co-workers, based on a two-mechanism elastoplastic formulation, is extended to include rate effects and incompressibility at zero void ratio. The model parameters for Alumina and Silicon Carbide ceramic powders are identified using stress histories obtained by means of pressure-shear plate impact experiments. The model is then used to simulate the shear banding mechanism experimentally observed in thick-wall cylinder collapse experiments performed on ceramic powders (Nesterenko and co-workers). The proposed model captures the main physics of the problem and provides valuable insight in the deformation process. Initiation site and speed of propagating instabilities are obtained from the simulations.  2001 Acta Materialia Inc. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved. Résumé—Les matériaux fragiles soumis à un chargement multi-axial sont susceptibles de présenter de la microfissuration et de la fragmentation. Dans certains cas, la pulvérisation peut être totale et le comportement est déterminé par l’écoulement des particules. Un modèle de comportement des matériaux granulaires, basé sur une formulation élastoplastique à deux mécanismes, a été étendu pour tenir compte de la dépendance temporelle et de l’incompressibilité sous faible fraction volumique de vide. Les paramètres décrivant les poudres d’Alumine et de Carbure de Silicium ont été déterminés en utilisant les résultats d’essais de compression-cisaillement par impact de plaques inclinées. Le modèle est ensuite utilisé pour simuler le faisceau de bandes de cisaillement observé sur des poudres de céramique dans l’expérience de collapse de cylindre épais. Le modèle proposé reproduit les principaux mécanismes du problème et donne des renseignements pertinant sur le processus de déformation. Les sites d’initiation et la vitesse de propagation des instabilités sont obtenus à partir des simulations.  2001 Acta Materialia Inc. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.