冶金因素影響絕熱剪切帶形成的金相觀察

葉慧麗

（江蘇省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇 南京 210007）

冶金因素影響絕熱剪切帶形成的金相觀察

葉慧麗

（江蘇省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇 南京 210007）

摘 要：本文分析了同等爆炸復(fù)合條件下多種狀態(tài)金屬所出現(xiàn)的絕熱剪切帶（ASB），對(duì)其顯微組織觀察結(jié)果、硬度判斷進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，并探討了不同生成環(huán)境下，晶體結(jié)構(gòu)對(duì)ASB形成的影響。最后分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，晶體構(gòu)成情況、預(yù)冷變形程度、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等因素是影響ASB的重要因素。

關(guān)鍵詞：冶金因素；絕熱剪切帶；金相觀察

一、實(shí)驗(yàn)檢測(cè)方法

本文選取5種材料作為復(fù)板，復(fù)板的基本資料見(jiàn)表1。并在相同條件下，與低碳鋼板實(shí)現(xiàn)平板爆炸復(fù)合，其基本資料如圖1所示。在復(fù)合板上，同等部位沿射流方向收取設(shè)備樣品，并采用光學(xué)顯微鏡實(shí)現(xiàn)金相觀察，最后測(cè)量ASB與樣品顯微硬度。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

1 ASB金相組織分析

分析同種工況下TA2/TA3爆炸復(fù)合界面金相組織結(jié)果，經(jīng)相關(guān)數(shù)據(jù)處理發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)沖擊后，復(fù)合板之間形成具有波紋特點(diǎn)的多頻次界面，滿足爆炸復(fù)合基本組織的常規(guī)特征，與權(quán)威報(bào)道一致。

在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，界面鈦側(cè)產(chǎn)生ASB，該ASB的特點(diǎn)為：（1）ASB逐漸變粗，且在階段終端達(dá)到最大值，最大值寬度約為最小值的（2.3±0.15）倍；（2）ASB與界面形成夾角，夾角大小為（45±0.32）°，并向基體方向延伸，并在基體中消失；（3）ASB晶粒小，皆屬于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織。

從多種金相組織的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，可發(fā)現(xiàn)不同情況下的ASB數(shù)量存在明顯差異（如圖2所示）。本文選取兩例金相組織，將其設(shè)為組織1、組織2，其中組織1的ASB數(shù)量多，且長(zhǎng)度更長(zhǎng)、寬度更寬。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，組織1的預(yù)冷變形量約為15.8%，明顯大于組織2的7%。該結(jié)果說(shuō)明，對(duì)于同種材料而言，變量越大則材料儲(chǔ)能越大，能進(jìn)一步降低再結(jié)晶溫度，積極促進(jìn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為的發(fā)生。

通過(guò)對(duì)Ta9研究發(fā)展，此種材料金相數(shù)量小于組織2，且長(zhǎng)度更短，在未經(jīng)過(guò)預(yù)冷變形處理之前，材料內(nèi)部所儲(chǔ)存的能量更少（如圖3所示）；在對(duì)材料N6進(jìn)行金相觀察時(shí)，發(fā)N6側(cè)面界面發(fā)生劇烈變形，進(jìn)而生成一系列的相位組織，未發(fā)現(xiàn)ASB。本文認(rèn)為，該金屬可能在碰撞點(diǎn)附近因高速傾斜碰撞而受到較大的壓力，絕熱剪切作用是導(dǎo)致未出現(xiàn)ASB的主要原因。

2 數(shù)據(jù)計(jì)算公式

在綜合考慮熱交換、爆炸瞬間溫度變化等因素的前提下，本文結(jié)合能量守恒定律，對(duì)該區(qū)域熱能變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其計(jì)算公式為：

在上述公式中，Cr代表熱容比；p代表材料未接受爆炸前溫度；T代表標(biāo)準(zhǔn)下爆炸溫度；k代表熱傳導(dǎo)系數(shù)，t代表時(shí)間。以N6/A3為例，其熱傳導(dǎo)系數(shù)k值等于0.942J/cm×K×s，τ等于0.1512×J/ cm×K×s。由此可見(jiàn)，當(dāng)熱傳導(dǎo)系數(shù)越大時(shí)，由熱傳導(dǎo)系數(shù)而引起的熱能損失率的數(shù)值也進(jìn)一步增大，兩者呈正比例關(guān)系，由碰撞聚集能量而轉(zhuǎn)化成熱能難以保證溫度升高，最終不會(huì)發(fā)生絕熱剪切現(xiàn)象。同時(shí)，多數(shù)資料指出，絕熱剪切可能屬于一種位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，與其孿生變形條件下的高應(yīng)變速率無(wú)法產(chǎn)生協(xié)調(diào)關(guān)系，最終轉(zhuǎn)化為材料失穩(wěn)的一種形式。在本次研究中，N6屬fcc結(jié)構(gòu)，其滑移系為12個(gè)，而TA2、TA9屬hcp結(jié)構(gòu)，滑移系僅為3個(gè)。因此，若從晶體結(jié)構(gòu)來(lái)看，N6出現(xiàn)絕熱剪切的概率也會(huì)明顯小于TA2、TA9。

表1 物種復(fù)板材料基本數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3 加載資料分析

本文統(tǒng)計(jì)TC4/A3復(fù)合界面金屬的金相圖像，具體資料如圖4所示。從不同材料的圖像來(lái)看，TC4/A3復(fù)合界面金屬的金相圖像明顯區(qū)別與TA2、TA9的ASB形態(tài)。同時(shí)，TC4圖像中的ASB出現(xiàn)明顯的分叉現(xiàn)象，從形狀上來(lái)看，該分叉為一條粗壯的強(qiáng)切帶分叉，并分為兩條相對(duì)較細(xì)的ASB。由表1可知，TC4屬于α+β的兩相組織，兩相熱容比、熱傳導(dǎo)系數(shù)等不同，導(dǎo)致其導(dǎo)熱能力出現(xiàn)差異。因此，分叉現(xiàn)象可以判斷為熱變形條件下，材料出現(xiàn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的結(jié)果。從α+β兩相組織的導(dǎo)熱能力來(lái)看，由于導(dǎo)熱能力不同，導(dǎo)致同一金屬不同位置的ASB發(fā)生變化，最終形成分叉剪切帶，該理論與Wittman的相關(guān)結(jié)果是相符的。早在20世紀(jì)90年代，Wittman提出ASB形核機(jī)制，認(rèn)為ASB形核于塑性變形加強(qiáng)區(qū)域，α相與β相的變形能力明顯不同，導(dǎo)致ASB分叉。

圖2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境下不同金相組織的表現(xiàn)形式

圖3 TA9沖擊加載之后的金相組織（★100）

圖4 TC4沖擊加載后金相組織圖像

4 顯微硬度分析

為更加準(zhǔn)確的觀察不同材料的ASB硬度值與內(nèi)部機(jī)體情況，要進(jìn)行顯微硬度分析，通過(guò)建立具有數(shù)據(jù)表達(dá)能力的圖表，清晰顯示不同材料的ASB與Base metal情況。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，上述幾種材料的ASB值均略高于鈦基體硬度值，同時(shí)經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，TC4硬度值高于TA2、TA9硬度值（如圖5所示），從金相圖像觀察結(jié)果來(lái)看，TC4屬于α+β兩相合金，而TA2、TA9屬于α單相合金，在標(biāo)準(zhǔn)情況下，TC4的主要成分表達(dá)方式為T(mén)i-6AL-4V，V元素、β元素是TC4的主要組成部分。從分子角度來(lái)看，TC4原子類似與鈦，因此其在鈦中的溶解度高于其他金屬，有利于進(jìn)一步提高鈦合金強(qiáng)度。因此，TC4合金硬度與ASB優(yōu)于TA2、TA9。

結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，本文最終得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）受檢材料的相組成情況、預(yù)冷變形程度、材料熱學(xué)特點(diǎn)、材料力學(xué)特點(diǎn)、晶體結(jié)構(gòu)等是影響ASB的重要因素，相關(guān)工作人員若想獲得更加準(zhǔn)確的金相觀察結(jié)果，就必須要在綜合考慮以上幾方面要素的基礎(chǔ)上，全方位分析材料的基本特點(diǎn)，才能保證金相觀察結(jié)果的科學(xué)性、有效性；

（2）ASB數(shù)量受到材料預(yù)冷變形情況的影響，ASB與預(yù)冷變形量呈正比例管理，預(yù)冷變形量越大，ASB越寬、越粗；

（3）ASB硬度值普遍高于基體

綜上所述，冶金因素影響絕熱剪切帶形成的金相觀察受到多種因素的影響，相關(guān)工作人員在工作過(guò)程中，可由材料的基本性質(zhì)入手，在充分結(jié)合預(yù)冷變形條件、環(huán)境熱變化的基礎(chǔ)上，多方面考慮多種因素，才能進(jìn)一步提高分析的準(zhǔn)確性。

圖5 三種金屬顯微硬度柱狀統(tǒng)計(jì)圖

參考文獻(xiàn)

[1]楊揚(yáng)，程信林，李正華，等.冶金因素影響絕熱剪切帶形成的金相觀察[J].稀有金屬材料與工程， 2003， 32（04）：261-263.

中圖分類號(hào)：TG506

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A