Coupling of thermal and mechanical deformation in high-speed testing of aluminum

This thesis investigates the thermal and mechanical deformation coupling of aluminium 6060 T6 during high strain rate tests. The study is based on the evaluation of all the required data to fully characterize the material, from a thermal and mechanical perspective. Specifically, the focus is on the assessment of the Taylor-Quinney Coefficient (TQC), the key parameter to evaluate the plastic work conversion into heat. Then, through the resolution of the energy conservation equation, the local full field strain distribution is computed from the full field temperature measurement of a tensile test. Physical quantities, such as density and specific heat capacity, mechanical response to tensile load, and strain rate dependency, are experimentally evaluated. The method developed evaluates the Taylor-Quinney Coefficient (TQC) during tensile tests at different strain rates, in the range 1 s-1 – 105 s-1, through simultaneous thermal and kinematic measurements, respectively, with Infrared Thermography (IRT) and Digital Image Correlation (DIC). Then, the local full field strain distribution is calculated from full field temperature data obtained with Infrared Thermography (IRT) and compared with Digital Image Correlation (DIC) measurements. The Taylor-Quinney Coefficient is found to vary with plastic strain, from lower values (0,2 - 0,6) up to 0,88 at fracture, with a mean value around 0,72. In the evaluated strain rate range, it is strain rate independent. The good agreement between IRT and DIC strain distributions, the estimation of the yielding strain and the possibility of isolating the elastic deformation regime from the plastic one, show the potential of infrared thermography application as a non-contact measuring technique, in the study of high strain rate loading conditions.

Questa tesi studia l’accoppiamento dei fenomeni termici e meccanici dell’alluminio 6060 T6 in prove ad alta velocità di deformazione. Lo studio si basa sulla valutazione di tutti i parametri caratterizzanti il materiale da un punto di vista termico e meccanico. In particolare, l’attenzione è focalizzata sulla quantificazione del coefficiente di Taylor-Quinney, il parametro chiave per determinare la percentuale di lavoro plastico convertita in energia termica, durante la deformazione plastica del materiale. Successivamente, attraverso la risoluzione dell’equazione di conservazione dell’energia, è stata calcolata la distribuzione della deformazione locale a partire dalla sola misura di temperatura superficiale durante una prova di trazione. Sono state sperimentalmente valutate grandezze fisiche come la densità e il calore specifico, la risposta meccanica a un carico di trazione e la dipendenza dalla velocità di deformazione. Il metodo sviluppato permette di calcolare il coefficiente di Taylor-Quinney (TQC) durante prove di trazione a diverse velocità di deformazione, nell'intervallo 1 s⁻¹ – 105 s⁻¹, tramite la simultanea misurazione cinematica e termica, rispettivamente attraverso la termografia a infrarossi (IRT) e la Digital Image Correlation (DIC). Successivamente, la distribuzione di deformazione locale è stata calcolata dalle temperature ottenute tramite termografia a infrarossi (IRT) e confrontate con le misurazioni fatte applicando la Digital Image Correlation (DIC). Il coefficiente di Taylor-Quinney è risultato dipendere dalla deformazione plastica, partendo da valori più bassi (0,2 - 0,6) e aumentando fino a 0,88 nel punto di rottura, con un valore medio di 0,72. Inoltre, è risultato indipendente dalla velocità di deformazione, nell’intervallo oggetto di studio. La buona corrispondenza tra le distribuzioni di deformazione ottenute con IRT e DIC, la stima dello snervamento e la possibilità di distinguere il regime elastico da quello plastico, dimostrano il potenziale della termografia a infrarossi come tecnica di misurazione senza contatto nello studio di prove meccaniche ad alta velocità di deformazione.