平板沖擊加載下對(duì)雙相鋼動(dòng)態(tài)損傷演變的研究①

楊 揚(yáng)，王 燦

（1.中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410083；2.中南大學(xué) 有色金屬材料科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙410083）

層裂是由應(yīng)力波之間的相互作用使材料發(fā)生動(dòng)態(tài)斷裂的破壞過(guò)程［1］。金屬材料層裂損傷的演變通常包括微孔洞的形核、長(zhǎng)大、貫通等過(guò)程［2－5］。此前的研究都集中在純金屬或者單相合金中的層裂研究［6－9］，而少部分多相合金的研究中都是關(guān)于第二相對(duì)多相材料層裂強(qiáng)度等的影響［10－11］，目前多相合金層裂損傷演變機(jī)制還缺乏系統(tǒng)研究。本文選取雙相鋼作為研究對(duì)象，探究多相合金層裂過(guò)程中孔洞形核以及損傷演化的機(jī)制。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用材料為分級(jí)淬火后的20 鋼，其初始組織為鐵素體加珠光體組織。為得到2 種不同相組分的雙相鋼，對(duì)20 鋼采用2 種不同分級(jí)淬火：1＃樣品在1 000 ℃保溫60 min，隨爐冷卻至740 ℃，并保溫30 min，取出后在冷鹽水中淬火；2＃樣品在1 000 ℃保溫60 min，然后隨爐冷卻至780 ℃，并保溫30 min，取出后在冷鹽水中淬火（在冷鹽水中淬火是為了加快冷卻速度，并防止樣品表面產(chǎn)生氣泡導(dǎo)致淬火組織不均勻）。

采用一級(jí)輕汽炮對(duì)熱處理后的2 個(gè)樣品進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載實(shí)驗(yàn)，加載實(shí)驗(yàn)在西南交通大學(xué)開(kāi)展（采用57 mm口徑的輕氣炮設(shè)備）。為了使2 種樣品受同樣程度的沖擊，本次實(shí)驗(yàn)以一擊二的形式進(jìn)行沖擊加載，即一個(gè)飛片經(jīng)發(fā)射后同時(shí)擊打到兩個(gè)樣品上。一級(jí)輕氣炮實(shí)驗(yàn)中所用的飛片尺寸為Φ52 mm×2 mm，2 種樣品尺寸為Φ20 mm×4 mm，加載速度為250 m／s。同時(shí)為避免回收樣品受到二次損傷，對(duì)沖擊后的樣品采用軟回收方式。通過(guò)安裝在試樣自由面的DPS 探頭獲得試樣自由面速度曲線。圖1 為靶板示意圖。

圖1 靶板示意

為了研究雙相鋼微觀組織形態(tài)及其內(nèi)部層裂損傷的位置分布等信息，對(duì)沖擊前后的樣品進(jìn)行金相觀察。沖擊前后的樣品用水磨砂紙磨光，然后使用W1.5、W0.5 金剛石研磨膏依次進(jìn)行拋光處理，最后用4%硝酸酒精溶液進(jìn)行侵蝕，制得金相試樣，觀察雙相鋼內(nèi)部微觀組織。

根據(jù)材料動(dòng)力學(xué)理論，材料的沖擊阻抗會(huì)影響沖擊波的傳播，從而影響層裂損傷的形核以及發(fā)展。材料阻抗可近似用初始密度ρ0和聲波速度C0（C0＝為材料楊氏模量，用彈性模量替代）的乘積表示。納米壓痕測(cè)試在瑞士CSM 公司生產(chǎn)的UNHT納米壓痕試驗(yàn)機(jī)上開(kāi)展，每個(gè)相測(cè)試3 個(gè)點(diǎn)，得到納米硬度和彈性模量平均值，計(jì)算出鐵素體與馬氏體兩相沖擊阻抗值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 熱處理對(duì)雙相鋼組織的影響

2 個(gè)樣品金相圖如圖2 所示。圖中淺色區(qū)域?yàn)殍F素體，深色區(qū)域?yàn)轳R氏體。

圖2 兩種不同熱處理后的樣品金相圖

通過(guò)IPP（image pro plus）軟件計(jì)算得出2 個(gè)樣品各相含量以及鐵素體晶粒尺寸，如表1 所示。

表1 樣品各相含量及晶粒尺寸

由表1 可以發(fā)現(xiàn)，2＃樣品內(nèi)的馬氏體明顯多于1＃樣品，這是因?yàn)榈吞?0 鋼在分級(jí)淬火過(guò)程中，隨著保溫溫度升高奧氏體的體積分?jǐn)?shù)增加，隨后在鹽水中淬火時(shí)奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體，因此馬氏體的含量隨著淬火溫度升高而增加。

2.2 自由面速度曲線分析

圖3 為2 個(gè)樣品在250 m／s 的飛片撞擊下用DPS測(cè)速系統(tǒng)所測(cè)得的自由面曲線。

圖3 自由面速度時(shí)間曲線圖

2 個(gè)樣品所受的沖擊壓力可由下式［4］計(jì)算得到：

式中σp為沖擊壓力，GPa；ρ0為20 鋼的密度，取7.85 g／cm3；S 為Gruneisen 狀態(tài)方程參數(shù)，20 鋼對(duì)應(yīng)的S 值為1.20［12］；C0為體積聲速，取4.607 mm／μs［12］；u 為波后粒子速度，為沖擊速度的一半，取125 m／s。通過(guò)計(jì)算得到2 個(gè)樣品所受到的沖擊壓力為4.67 GPa。

層裂強(qiáng)度是動(dòng)態(tài)損傷應(yīng)力的一種度量，關(guān)于層裂強(qiáng)度的計(jì)算可以由下式［2］計(jì)算得出：

式中σf為層裂強(qiáng)度，GPa；Δu 為自由面速度Pullback的幅值，Δu ＝umax－umin，它常常作為是否發(fā)生層裂以及預(yù)估層裂強(qiáng)度的重要依據(jù)。

計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

表2 自由面速度曲線相關(guān)參數(shù)計(jì)算結(jié)果

計(jì)算得到1＃樣品的層裂強(qiáng)度比2＃樣品的小，并且Pullback 幅值表征了損傷成核或起始的條件——成核強(qiáng)度［13］，說(shuō)明1＃樣品更易形成孔洞，這是因?yàn)?＃樣品中相界面較多，在同一加載速度條件下1＃樣品與2＃樣品相比，由于相界面對(duì)沖擊波的反射與透射作用會(huì)在高阻抗的相內(nèi)形核，這也意味著相界面越多，在高阻抗相內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力并且形成孔洞的幾率也越大，因此降低了1＃樣品中的層裂強(qiáng)度。

2.3 層裂損傷金相分析

沖擊后樣品內(nèi)部層裂損傷分布以及形核位置見(jiàn)圖4。圖中深色區(qū)域?yàn)轳R氏體，淺色區(qū)域?yàn)殍F素體，黑色為孔洞與裂紋。由圖4 可以看出，2 個(gè)樣品中的層裂初期孔洞都形核于馬氏體內(nèi)部，然后孔洞長(zhǎng)大貫通形成微裂紋，表現(xiàn)為穿晶斷裂。一般而言，準(zhǔn)靜態(tài)加載條件下，由于兩相的物理力學(xué)性能差異導(dǎo)致在兩相的界面上產(chǎn)生應(yīng)力與應(yīng)變差異，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，所以在準(zhǔn)靜態(tài)加載條件下相界面一般是孔洞優(yōu)先形核長(zhǎng)大的位置［14］；但是在動(dòng)態(tài)加載條件下的層裂損傷中，孔洞在馬氏體內(nèi)部形核并且長(zhǎng)大貫通形成微裂紋。1＃樣品中的裂紋擴(kuò)展方向基本與沖擊方向垂直，而2＃樣品中的裂紋沒(méi)有朝一個(gè)方向擴(kuò)展，這是因?yàn)?＃樣品中的馬氏體內(nèi)部呈群落狀分布，一個(gè)馬氏體群落由幾個(gè)原奧氏體晶粒組成，不同奧氏體內(nèi)部馬氏體束的位向不同，因此裂紋擴(kuò)展被限制在不同的區(qū)域，裂紋不容易沿著一個(gè)方向擴(kuò)展。

圖4 沖擊后樣品的顯微組織圖

2.4 相界面對(duì)孔洞形核的影響

對(duì)馬氏體相以及鐵素體相進(jìn)行納米壓痕實(shí)驗(yàn)，得到兩相平均壓深-載荷的加載、卸載曲線如圖5 所示。

圖5 各相納米壓痕壓深-載荷加載、卸載曲線

通過(guò)阻抗值的計(jì)算公式可得到各相的沖擊阻抗值［4］：

式中C0為聲波速度，由前文提到的公式計(jì)算得到；ρ0為各相密度，可以根據(jù)兩相的含碳量計(jì)算出兩相的相對(duì)密度。納米壓痕實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)以及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 納米壓痕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表3 可以看出，馬氏體的納米壓痕硬度要高于鐵素體，并且馬氏體內(nèi)部沖擊阻抗要高于鐵素體內(nèi)部沖擊阻抗。根據(jù)文獻(xiàn)［3］對(duì)材料動(dòng)態(tài)力學(xué)行為闡述可知，相界面對(duì)沖擊波具有反射與透射作用，所以沖擊波從高阻抗的馬氏體內(nèi)部傳入低阻抗的鐵素體內(nèi)部時(shí)，會(huì)在馬氏體內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)拉伸應(yīng)力，當(dāng)這個(gè)拉升應(yīng)力達(dá)到足夠大時(shí)，就會(huì)在馬氏體內(nèi)部形成孔洞。

3 結(jié) 論

1）動(dòng)態(tài)加載條件下，孔洞在馬氏體內(nèi)部形核、長(zhǎng)大、貫通形成微裂紋，并且裂紋表現(xiàn)為穿晶斷裂。

2）1＃樣品中的裂紋擴(kuò)展方向大部分與沖擊方向垂直；而2＃樣品中的裂紋沒(méi)有沿著一個(gè)方向擴(kuò)展，這是因?yàn)?＃樣品中馬氏體內(nèi)部呈群落狀分布，由不同的原奧氏體晶粒組成，不同的原奧氏體內(nèi)部的馬氏體束位向差較大，導(dǎo)致裂紋限制在不同區(qū)域，因此裂紋難以朝一個(gè)方向擴(kuò)展。

3）馬氏體的阻抗大于鐵素體的阻抗。由于相界面對(duì)沖擊波具有反射與透射作用，沖擊波從高阻抗的相傳入低阻抗的相內(nèi)時(shí)會(huì)在高阻抗相內(nèi)形成拉伸脈沖，從而引起層裂損傷。因此，層裂損傷過(guò)程中孔洞在馬氏體內(nèi)部形核長(zhǎng)大、貫通形成微裂紋，最后貫穿整個(gè)馬氏體。

4）相界面對(duì)沖擊波具有反射與透射作用，因此，樣品中相界面越多，在高阻抗相內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力并且形成孔洞的幾率也越大，樣品的層裂強(qiáng)度越低。