高應(yīng)變速率作用下ZK60鎂合金的變形行為

張治民，于建民，王子田，楊亞琴

（中北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030051）

隨著鎂合金產(chǎn)品性能的不斷提高，鎂合金材料將成為武器裝備中應(yīng)用最廣的金屬結(jié)構(gòu)材料。國內(nèi)鎂合金的應(yīng)用主要集中于航天、航空等領(lǐng)域，如起落架輪轂、座椅支架、彈夾等［1—2］。另外，兵器工業(yè)上的軍用車輛、飛行器等如果使用高強(qiáng)度鎂合金，都可以起到好的減重效果，進(jìn)而提升車輛的機(jī)動性。變形鎂合金裝備構(gòu)件不僅需要有良好的常規(guī)力學(xué)性能，更需要有良好的抗沖擊性，而目前有關(guān)鎂合金在動態(tài)沖擊載荷下的力學(xué)性能、抗彈性能研究，國內(nèi)外相關(guān)報(bào)道很少，且主要集中在鑄態(tài)鎂合金動態(tài)力學(xué)性能的研究方面，而關(guān)于塑性變形工藝、熱處理工藝對鎂合金動態(tài)力學(xué)行為、抗彈性能的影響，開展的相關(guān)研究更少［3—4］?，F(xiàn)有的鎂合金抗沖擊性研究方法用的較多的，是通過采用Hopkinson壓桿實(shí)驗(yàn)方法［5—6］，研究高應(yīng)變率下鎂合金材料的動態(tài)變形力學(xué)行為，且實(shí)驗(yàn)過程中壓桿沖擊速度只可控制在100 m/s以內(nèi)，不能滿足裝備材料抗高速沖擊載荷作用的實(shí)際使用要求。軍用車輛、飛行器等如果使用高強(qiáng)度鎂合金，經(jīng)常會受到?jīng)_擊碰撞作用，且常會處于沖擊應(yīng)變率超過103s-1的高應(yīng)變率條件，因此，有必要研究高強(qiáng)度鎂合金在高應(yīng)變率下的動態(tài)力學(xué)行為的變化，以對鎂合金在武器裝備上的應(yīng)用提供基礎(chǔ)指導(dǎo)作用［7—10］。為此，文中通過高速沖擊鎂合金靶板實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)考察了不同熱加工態(tài)高強(qiáng)度ZK60鎂合金在較寬、較高沖擊速度范圍內(nèi)（10～500 m/s）的抗沖擊性能，建立鎂合金抗沖擊性能與材料力學(xué)性能之間的關(guān)系。為設(shè)計(jì)具有良好抗沖擊性能的高性能Mg-Zn-Zr系列鎂合金提供參考，以指導(dǎo)鎂合金在軍事工業(yè)上的工程應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用7.62 mm滑膛槍進(jìn)行高速沖擊實(shí)驗(yàn)，用直徑為4.5 mm，質(zhì)量為0.45 g的鋼球分別垂直高速沖擊不同狀態(tài)的ZK60鎂合金靶板，在30 m靶道實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。靶板材料選用不同熱加工狀態(tài)的ZK60鎂合金試塊，沖擊前試樣的狀態(tài)分別是:變形態(tài)（溫度取340℃和420℃，ε分別取1.59，2.07和2.65），T5熱處理態(tài)為:170℃ ×16 h，T6熱處理態(tài)為:420℃ ×10 h+170℃ ×16 h。不同狀態(tài)的靶板所對應(yīng)的力學(xué)性能如表1所示。靶板尺寸為:長×寬×厚=100 mm×100 mm×1 mm。由于靶板試樣較薄，實(shí)驗(yàn)時在其后面均墊上高強(qiáng)鋁合金7A04背板（背板尺寸:長×寬×厚=150 mm×150 mm×10 mm）。

沖擊速度用槍彈測速儀測量。實(shí)驗(yàn)前根據(jù)彈頭尺寸機(jī)加工一些圓柱形（φ7.6 mm，L=15 mm）小木頭，并在其一端部鉆小錐形盲孔（φ5 mm～φ7 mm），并將鋼珠粘結(jié)安放至盲孔;將滑膛槍彈彈頭拔掉，用棉花將木頭圓柱塞緊到彈體上，以代替彈頭。實(shí)驗(yàn)裝置簡圖如圖1所示，實(shí)驗(yàn)中同時采用槍彈測速儀記錄鋼珠彈丸經(jīng)過測速靶所用時間數(shù)據(jù)。

表1 不同狀態(tài)的靶板的力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of the target plate at different state

圖1 高速沖擊鎂合金靶板實(shí)驗(yàn)裝置簡圖Fig.1 Experiment device for high speed impact magnesium alloy target plates

2 結(jié)果及分析

2.1 高速沖擊后ZK60鎂合金靶板形貌及分析

圖2為340℃熱塑性變形及不同處理工藝處理后的ZK60鎂合金靶板，經(jīng)高速沖擊后的彈孔形貌。由圖2可以看到，經(jīng)高速彈丸沖擊后，由于ZK60鎂合金靶板厚度較薄（1 mm），在535 m/s左右高速彈丸碰撞下，靶板均被擊穿，留下了彈孔。當(dāng)靶板材料初始狀態(tài)為 ε=1.59時（圖2a，b，c），所示彈孔周圍均有不同程度的凹陷，且彈孔邊緣有許多毛刺。即在變形過程中有一定的塑性變形，圖2b還存在沿彈孔向外生長的裂紋。而當(dāng)ε=2.07時（圖 2d，e，f），靶板上彈孔形態(tài)清晰完整，彈孔內(nèi)側(cè)面有明顯的剪切唇，呈白色，彈孔周圍光滑，沒有裂紋。圖2a中所示的靶板似乎沒有穿透，是由于彈丸高速沖擊穿透后，產(chǎn)生大量熱量，使靶板背部又產(chǎn)生熔合，產(chǎn)生"鼓包"類形狀，而不是沒有穿透。

圖2 沖擊后靶板（340℃）彈孔形貌Fig.2 Morphology of bullet hole after impact（340℃）

圖3為初始狀態(tài)420℃變形后，不同狀態(tài)的靶板經(jīng)高速沖擊后的彈孔形貌。不難看出，圖3a，b，c，d所示的彈孔周邊均有不同程度的凹陷，而且彈孔周邊有少量毛刺。彈孔背面有明顯的剪切唇，彈孔周圍沒有裂紋。圖3e和f周邊均有嚴(yán)重的裂紋產(chǎn)生，破損現(xiàn)象嚴(yán)重。由圖3e和f還可以看到，沖擊后靶板上均留有2個彈孔，這是因?yàn)殇撝榕c背板高速撞擊后，反彈正好碰到靶板上，并穿透靶板。圖中的2個穿透彈孔，一個為鋼珠彈丸第一次高速撞擊靶板所留，另一個為木頭圓柱回彈撞擊所留。

圖3 沖擊后靶板（420℃）彈孔形貌Fig.3Morphology of bullet hole after impact（420℃）

2.2 高速沖擊ZK60鎂合金靶板后背板形貌及分析

圖4和圖5是高速沖擊不同狀態(tài)靶板材料的后背板材料的彈坑形貌。由圖4和圖5不難看出，鋁合金背板材料均沒有被穿透，但在背板材料上均留下了與鋼珠直徑大小相當(dāng)?shù)膹椏印５窃谧訌椀母咚贈_擊作用下，背板上的彈坑周邊的材料明顯隆起，形成環(huán)狀的堆積，說明高速彈珠穿過靶板材料后，進(jìn)入背板材料，受到材料極大的變形抗力，同時，背板材料也產(chǎn)生了相應(yīng)的塑性變形，吸收了大量的沖擊能量。靶板材料狀態(tài)不同，則背板材料上所留下的彈坑深度不同。

由圖4和5還可看出，熱變形態(tài)鎂合金靶板后的背板上，彈坑周圍出現(xiàn)突緣和裂紋現(xiàn)象，熱變形+T6態(tài)鎂合金靶板所對應(yīng)背板上的彈坑周圍都出現(xiàn)了明顯的縱向裂紋，說明抗彈性較差。而熱變形+T5態(tài)鎂合金靶板所對應(yīng)背板上的彈坑形貌較好，比較光滑，且彈坑周圍幾乎無裂紋，說明該種狀態(tài)靶板的抗彈性較好。表2為不同靶板材料后面背板上留下的彈坑深度。

圖4 高速沖擊后背板材料上（340℃）彈坑形貌Fig.4 Morphology of bullet hole on the back plate after impact（340℃）

表2 高速沖擊不同狀態(tài)的靶板材料后背板上留下的彈坑深度Table 2 Crater depth on the back plateathigh speed impact

圖5 高速沖擊后背板(420℃)彈坑形貌Fig.5 Morphology of bullet hole on the back plate after impact(420℃)

由表2可以看出，不同熱加工狀態(tài)ZK60合金靶板材料的力學(xué)性能對彈坑深度的大小有一定的影響?？傮w上，靶板材料的強(qiáng)度越高，則背板上所留下的彈坑深度就越淺。為進(jìn)一步研究材料綜合力學(xué)性能與彈坑深度的關(guān)系，利用origin軟件對彈坑深度與靶板材料的抗壓強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率之間進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖6所示。

圖6為彈坑深度與靶板材料即不同熱加工態(tài)ZK60合金力學(xué)性能間的關(guān)系。從圖6a-d可以看出，彈坑深度與靶板材料抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率和（Rm+Rp0.2）A/2的關(guān)系圖中的數(shù)據(jù)點(diǎn)離散性較大，說明不能單純地用材料某一個力學(xué)性能指標(biāo)來評價材料抗彈能力的大小。圖6e為彈坑深度與（Rm+Rp0.2）（1+A）/2的關(guān)系圖，對圖6e中的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合后，可獲得不同的線性方程:y=7.5-0.01x，其線性相關(guān)系數(shù)R=0.25，數(shù)據(jù)具有較好的線性相關(guān)性。

將圖6e中的4個離散性很大的數(shù)據(jù)點(diǎn)剔除后，再對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到圖6f，其線性方程式為:

圖6 彈坑深度（h）與靶板材料力學(xué)性能間的關(guān)系Fig.6 Relationship between the mechanical properties of target plate material and crater depth（h）

3 結(jié)論

1）高速彈擊實(shí)驗(yàn)后，在靶材彈孔背面，出現(xiàn)了白亮的剪切唇，說明ZK60合金靶材具有比較好的塑性，在高速彈擊情況下，吸能性較好，具有較好的抗彈性。

2）熱變形+T5態(tài)鎂合金靶板所對應(yīng)的彈坑形貌較好，比較光滑，且彈坑周圍幾乎不出現(xiàn)裂紋，抗彈性較好;而熱變形態(tài)和熱變形+T6態(tài)鎂合金靶板所對應(yīng)的彈坑周圍都出現(xiàn)了明顯的縱向裂紋，抗彈性較差。

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