hr2、d2和femnni的相組織行為及斷裂行為

hr2、d2和femnni的相組織行為及斷裂行為

1微波物理中行為變化的研究由于它們?cè)诠I(yè)和軍事上的廣泛應(yīng)用，鐵和鐵材料的使用受到了高度重視。在數(shù)十年的影響下，鐵材料的性質(zhì)和由室溫變化很大，一直是波浪物理的研究熱點(diǎn)。本文的主要目標(biāo)是研究抗氫鋼HR2在相變壓力附近的動(dòng)載行為,選取工業(yè)純鐵DT2和成份為Fe-7.6%Mn-7.0%Ni的鐵錳鎳合金FeMnNi作為研究的比對(duì)材料,利用雙靈敏度VISAR和樣品回收方法研究上述三種材料在一維應(yīng)變加載下的沖擊相變與斷裂行為。2雙靈敏度實(shí)際測(cè)量一維應(yīng)變加載裝置采用?100mm一級(jí)輕氣炮。自由面速度采用條紋常數(shù)為101、386m/s/Fr的雙靈敏度VISAR進(jìn)行測(cè)量。飛片和樣品材料分別為A3鋼、DT2、FeMnNi和HR2,共做了7發(fā)實(shí)驗(yàn),狀態(tài)參數(shù)見表1。3結(jié)果與分析3.1相關(guān)系數(shù)的測(cè)量各發(fā)實(shí)驗(yàn)有由VISAR測(cè)量得到的自由面速度歷史曲線如圖1所示,典型含相變波的三波結(jié)構(gòu)的各特征量定義如圖2所示,按此定義測(cè)得圖1中各波形的對(duì)應(yīng)特征量數(shù)據(jù)見表2。圖1和表2顯示,沖擊加載壓力低于13GPa時(shí),在DT2材料中只有彈塑性波剖面結(jié)構(gòu);沖擊加載壓力達(dá)到17.3GPa時(shí),得到了與文獻(xiàn)中相同的三波結(jié)構(gòu),相變平臺(tái)寬度為0.58μs。圖1(c)中的兩發(fā)FeMnNi材料實(shí)驗(yàn)均得到了典型的三波結(jié)構(gòu),三波結(jié)構(gòu)中的塑性波p1峰值速度隨撞擊速度增加而增加,相變平臺(tái)寬度隨撞擊速度增加而變窄,說明沖擊相變中存在明顯的應(yīng)變率效應(yīng);同時(shí)還發(fā)現(xiàn)FeMnNi材料的塑性波峰值速度較DT2的顯著降低,這與鐵基材料的相變點(diǎn)由于錳、鎳等溶質(zhì)元素加入而降低的預(yù)測(cè)一致。但在相當(dāng)寬的加載強(qiáng)度(8.47～15.13GPa)范圍內(nèi)HR2樣品(見圖1(c))中均沒有觀察到三波波剖面結(jié)構(gòu),只有彈塑性雙波結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)研究取得的HR2彈塑性波間的馳豫時(shí)間為0.16～0.25μs,與DT2和FeMnNi中相變波之前塑性波的弛豫時(shí)間相當(dāng),甚至更小,注意到DT2和FeMnNi中相變波的特征時(shí)間,說明對(duì)HR2也不太可能存在以閾值彌散展寬加載波前沿的方式存在的相變波。對(duì)HR2中相變波的有無,相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)有兩類預(yù)測(cè)。一般而言,與HR2同成份系列的合金的相變點(diǎn)大多會(huì)降到13GPa以下,如本文實(shí)驗(yàn)中FeMnNi相變點(diǎn)的實(shí)測(cè)值已低于7.0GPa,成份最接近HR2的合金(Fe-20wt%Cr-8.5wt%Ni)的相變點(diǎn)實(shí)驗(yàn)測(cè)量值約7.0GPa。而M.B.熱爾諾科列托夫等對(duì)成份類似HR2的18X18H10T,在6.4GPa<p<184GPa內(nèi)測(cè)得的沖擊雨貢紐曲線上沒有相變拐點(diǎn)。對(duì)與抗氫鋼HR2成份接近的12Cr18Ni10Ti,在10GPa≤σхх≤56GPa的沖擊應(yīng)力內(nèi),V.G.Vil’danov等用錳銅傳感器的測(cè)量結(jié)果表明,樣品中應(yīng)力波剖面前沿為雙波結(jié)構(gòu),無鐵基材料中典型的相變波。黃士輝等亦測(cè)過類似HR2材料的沖擊絕熱線,在其自由面速度歷史曲線上沒有出現(xiàn)相變拐點(diǎn),但因當(dāng)時(shí)所用VISAR系統(tǒng)精度限制,不能肯定三波結(jié)構(gòu)是否存在。從本實(shí)驗(yàn)中所用雙靈敏度VISAR系統(tǒng)對(duì)DT2等比對(duì)材料的測(cè)量結(jié)果看,測(cè)量方法對(duì)鐵中典型的相變波有足夠的識(shí)別能力;在對(duì)HR2樣品的測(cè)量中,彈性前驅(qū)波和層裂等細(xì)節(jié)也被清楚記錄;實(shí)驗(yàn)在多種應(yīng)力條件下進(jìn)行,均未觀察到三波結(jié)構(gòu),所以可肯定HR2中相變波現(xiàn)象不存在。這與其中錳、鎳等溶質(zhì)元素比例份額有關(guān),同時(shí)注意本實(shí)驗(yàn)中HR2樣品初始相結(jié)構(gòu)為固溶奧氏體(γ相),所以對(duì)其他據(jù)稱成分相近、但有相變波的實(shí)驗(yàn)中樣品的初始狀態(tài)及具體測(cè)試方法都還需仔細(xì)分析。3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析通過自由面速度剖面計(jì)算和回收樣品的觀測(cè)結(jié)果列于表3中。非等厚撞擊下HR2中層裂厚度與應(yīng)力波計(jì)算的值接近,而等厚撞擊條件下,速度波形上和回收樣品中均顯示無層裂發(fā)生。在等厚撞擊DT2樣品實(shí)驗(yàn)系列中,在無相變波的碰撞實(shí)驗(yàn)(撞擊速度為455.7m/s)中,自由面速度波形上和回收樣品中均顯示無層裂發(fā)生。而撞擊速度為848m/s時(shí),自由面速度波形顯示樣品中發(fā)生了層裂,層裂強(qiáng)度為1.36GPa。為確認(rèn)層裂現(xiàn)象,進(jìn)行了相同速度(實(shí)測(cè)847.0m/s)下的回收實(shí)驗(yàn)。圖3中回收樣品形貌顯示在樣品自由面一側(cè)淺表發(fā)生大面積層裂,厚度約2.0mm,斷面粗糙有起伏,層裂面外觀與光面層裂特征不符。金相照片顯示斷口呈解理特征為主、夾少量韌窩的形貌。此外,在距碰撞面約2.0mm處有一條宏觀上未斷開的大面積層裂縫隙。這種二次層裂現(xiàn)象可能和卸載波中稀疏沖擊波形成有關(guān),僅通過不考慮相變行為的應(yīng)力波分析很難合理解釋這一現(xiàn)象。對(duì)FeMnNi樣品,自由面速度波形上顯示的層裂特征較復(fù)雜。兩發(fā)實(shí)驗(yàn)從自由面速度波形計(jì)算的層裂片厚度約1.3、3.3mm,但遠(yuǎn)小于預(yù)期層裂厚度,對(duì)應(yīng)的層裂強(qiáng)度分別為1.55、2.47GPa。實(shí)驗(yàn)樣品破碎嚴(yán)重,內(nèi)部可能發(fā)生多次層裂,但還需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證明。3.3評(píng)估hr2微觀組織對(duì)加載前后DT2和HR2實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行了微觀觀測(cè)。由圖4可以看到,實(shí)驗(yàn)前后DT2的金相組織有明顯不同。其原始組織(見圖4(a))中,鐵素體中有極少量的滑移變形,且含有一些雜質(zhì)(圖中大小不一的黑色斑點(diǎn)),經(jīng)歷了高于初始相變壓力的加載過程后,鐵素體中存在大量孿晶和滑移變形(見圖4(b)),這與DT2經(jīng)歷了α?ε相變過程有關(guān);而經(jīng)過低于初始相變壓力加載后的微觀組織只存在少量孿晶和滑移變形(見圖4(c)),與圖4(b)有明顯差別,與原始相相比較則沒有質(zhì)的區(qū)別。由圖5看出,加載前HR2的初始微觀金相組織為奧氏體晶粒(見圖5(a)),加載后其組織中(見圖5(b)、5(c))形成了少量孔洞和多系滑移變形,并有少量孿晶。結(jié)合圖1(c)中不同應(yīng)力下測(cè)得的雙波結(jié)構(gòu),說明HR2的微觀組織變化并未以相變波形式反映在其動(dòng)態(tài)特性上。此外,L.E.Murr等在對(duì)與HR2成份相近的304不銹鋼形變誘發(fā)馬氏體相變研究中證明了馬氏體相變的存在,觀察到不同加載方式的應(yīng)變狀態(tài)對(duì)α′馬氏體生成影響有明顯差別?？梢奌R2的行為機(jī)制及其動(dòng)態(tài)表現(xiàn)復(fù)雜,不同應(yīng)力條件下的具體機(jī)制和物理模型還需深入研究。4速度波形結(jié)構(gòu)中應(yīng)變率效應(yīng)通過對(duì)三種鐵基材料的實(shí)驗(yàn)研究,初步獲得了以下認(rèn)識(shí):(1)HR2材料受成分和初始相組織影響,動(dòng)載過程中材料相組織結(jié)構(gòu)的變化信息沒有反映到自由面速度波形結(jié)構(gòu)中;(2)DT2和FeMnNi中觀測(cè)到了典型的彈性前驅(qū)波-塑性波-相變波三波結(jié)構(gòu),對(duì)應(yīng)的相變壓力在DT2中為12.9GPa,在FeMnNi中分別為6.46、6.85GPa。初始相變點(diǎn)(塑性波p1峰值速度點(diǎn))隨加載強(qiáng)度變化,呈現(xiàn)明顯的應(yīng)變率效應(yīng);(3)在對(duì)稱碰撞下HR2中無層裂現(xiàn)象,但對(duì)稱碰撞下的DT2發(fā)生了淺表及二次層裂現(xiàn)象,在FeMnNi中也有類似的淺表層裂現(xiàn)象,這些差別均與沖擊相變及卸載沖擊波生成有關(guān)。5材料的拉伸性能和斷裂對(duì)抗氫鋼HR2而言,在DEFEL程序中應(yīng)用彈塑性流體模型和損傷判據(jù)試算,與實(shí)驗(yàn)3～5中的動(dòng)態(tài)特性符合較好,由此看來似乎可用通常的彈塑性流體模型來描述其動(dòng)載力學(xué)行為,包括其卸載行為。但HR2金相組織在動(dòng)載過程中發(fā)生了變化,所以這類近似的等效物態(tài)方程并不完全對(duì)應(yīng)真實(shí)物理過程,尤其在不同加載應(yīng)力狀態(tài)下,相變機(jī)制和結(jié)果會(huì)有嚴(yán)重差別,能近似描述一維力學(xué)響應(yīng)的等效物態(tài)方程是否還照樣適用,仍是一個(gè)需要研究的問題。對(duì)于DT2和FeMnNi,若對(duì)包括三波結(jié)構(gòu)的動(dòng)載行為和層裂現(xiàn)象進(jìn)行描述,顯然需專門構(gòu)建能反映其多形態(tài)相變動(dòng)力學(xué)的物態(tài)方程來描述材料斷裂行為的