表面粗糙度對(duì)6061鋁合金薄壁管沖擊膨脹斷裂性能的影響*

劉龍飛，周 強(qiáng)

(湖南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

現(xiàn)實(shí)生活中，金屬柱殼被廣泛應(yīng)用在各種場(chǎng)合，例如：輸水、輸油、輸氣管道和壓力容器；火箭的助推器中的燃料箱；導(dǎo)彈、炮彈、槍管的金屬柱殼；核電站中的防護(hù)裝置等。作為各種應(yīng)用場(chǎng)合中的主要部件，金屬殼體的損壞經(jīng)常會(huì)使整個(gè)設(shè)備停止工作甚至報(bào)廢，因此對(duì)金屬柱殼動(dòng)態(tài)膨脹斷裂行為的研究一直受到人們的高度重視[1-8]。實(shí)際應(yīng)用過程中，金屬柱殼一般需要承受來自柱殼內(nèi)部載荷的作用，因此對(duì)金屬殼體在內(nèi)部沖擊載荷的作用下的膨脹斷裂時(shí)間、斷裂程度及斷裂結(jié)果預(yù)測(cè)理論的研究是金屬柱殼研究領(lǐng)域中的重點(diǎn)，也是工程領(lǐng)域非常重要的問題之一[9-10]。

目前，薄壁金屬圓柱管膨脹斷裂機(jī)理主要通過對(duì)最終斷裂碎片的回收分析得到[2,4,6,8]。在低應(yīng)變率下，Taylor[2]認(rèn)為金屬圓柱管的斷裂模式為拉伸斷裂模式，拉伸裂紋首先萌生于外壁面，而后始終沿徑向向內(nèi)壁面擴(kuò)展。在高應(yīng)變率下，Hoggatt等[7]提出的絕熱剪切斷裂模式認(rèn)為，內(nèi)壁面首先發(fā)生絕熱剪切失穩(wěn)，形成絕熱剪切帶向外擴(kuò)展；當(dāng)外壁面處于拉伸應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，裂紋將沿剪切帶向內(nèi)擴(kuò)展并最終斷裂；隨著應(yīng)變率的降低，剪切方向的斷裂帶將不能貫穿整個(gè)壁厚，而是由拉伸裂紋首先沿徑向向內(nèi)壁面擴(kuò)展一段距離遇到絕熱剪切帶后，才沿著絕熱剪切帶向內(nèi)壁面擴(kuò)展，形成拉剪混合斷口[4,6]。另外，湯鐵鋼等[4]和胡八一等[8]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，減小壁厚或提高加載應(yīng)變率，會(huì)出現(xiàn)拉-絕熱剪切混合斷裂向純絕熱剪切斷裂的過渡。

采用6061鋁合金薄壁圓柱管作為研究對(duì)象，利用分離式霍普金森桿(split Hopkinson pressure bar, SHPB)對(duì)其進(jìn)行沖擊膨脹斷裂凍結(jié)回收實(shí)驗(yàn)，用粗糙度儀檢測(cè)表面的粗糙度，并通過光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察分析，研究不同表面粗糙度的6061鋁合金在內(nèi)部沖擊載荷作用下的膨脹斷裂過程中的裂紋萌生位置、宏觀表現(xiàn)、裂紋的生長(zhǎng)、萌生裂紋類型以及微觀組織形貌的變化規(guī)律，以期為薄壁圓柱管沖擊膨脹斷裂機(jī)理研究提供直接的實(shí)驗(yàn)和理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)材料為商用6061鋁合金薄壁管，內(nèi)徑r=14 mm，壁厚δ=2 mm，如圖1所示。本實(shí)驗(yàn)選用6061鋁合金作為實(shí)驗(yàn)材料，以便與之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行對(duì)比。

6061鋁合金屬于鋁-鎂-硅系，是可熱處理強(qiáng)化的變形鋁合金，主要化學(xué)成分如表1所示。首先對(duì)6061鋁合金管進(jìn)行表面切削加工，考慮車刀痕跡的影響，表面采用500-7000CW不等的砂紙?jiān)赑-2型金相試樣拋光機(jī)進(jìn)行拋光處理，并用Marsurf-RD18粗糙度儀測(cè)其粗糙度，加工成?16 mm×20 mm的薄壁管，然后填充石蠟于柱殼中心位置。其物理性能參數(shù)見表2，其中ρ為密度，ν為泊松比，Tm為熔化溫度，σt為抗拉強(qiáng)度，E為彈性模量。

表1 6061鋁合金主要化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of 6061 aluminum alloy

表2 6061鋁合金物理性能參數(shù)Table 2 Physical property parameters of 6061 aluminum alloy

將低剪切強(qiáng)度、高體積模量、便于成型的石蠟填充在薄壁管內(nèi)，在兩端對(duì)具有較高彈性模量及屈服強(qiáng)度的墊塊進(jìn)行加載。由于填充物與薄壁管、墊塊是緊密結(jié)合的，在較大沖擊力的作用下，填充物迅速膨脹，導(dǎo)致薄壁柱管迅速膨脹斷裂。如圖2所示，實(shí)驗(yàn)所用模具由左、右墊塊，薄壁管和石蠟構(gòu)成。其中墊塊由42CrMo鋼制成，屬于超高強(qiáng)度合金鋼，具有高強(qiáng)度和高韌性的特征；其淬透性較好，無明顯的回火脆性，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后能夠有效地提高其疲勞極限與抗多次沖擊的性能。左、右墊塊的尺寸?14 mm×16 mm；薄壁管尺寸為：內(nèi)徑14 mm，長(zhǎng)度20 mm，壁厚1 mm；石蠟尺寸為?14 mm×10 mm。

通過調(diào)節(jié)透射桿端部、擋板(起安全保護(hù)作用)與減震器之間的距離，可實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的單次可控加載和凍結(jié)回收[11]。實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，通過對(duì)子彈加載速度的控制，可以控制對(duì)樣品的加載應(yīng)變率。在沖擊實(shí)驗(yàn)前，為減弱彌散振蕩，在模具與入射桿和透射桿的接觸處涂上凡士林，并將模具與入射桿和透射桿緊密壓緊。由子彈對(duì)入射桿提供沖擊力，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，迅速拆開模具，取出膨脹斷裂的薄壁圓柱管，并保持薄壁圓柱管斷口的清潔。

實(shí)驗(yàn)后取薄壁圓柱管斷口附近縱截面、斷口、橫截面及表面進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析，如圖4所示。用砂紙先粗磨后精拋其剖面，采用的腐蝕劑為鹽酸3 mL+蒸餾水190 mL+氫氟酸2 mL+硝酸5 mL的Keller試劑，微觀組織分析采用OLYMPUS金相顯微鏡觀察，隨后采用日立S-530型掃描電子顯微鏡對(duì)沖擊膨脹斷口及表面進(jìn)行觀察。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 粗糙度及加載速率

經(jīng)過LBR-370(M)數(shù)控車床加工得到?jīng)_擊膨脹斷裂實(shí)驗(yàn)所采用的6061鋁合金薄壁圓柱管，其表面粗糙度(Ra)如表3所示。在壓力、壁厚相同的條件下，對(duì)6061鋁合金薄壁柱殼進(jìn)行沖擊膨脹斷裂凍結(jié)回收實(shí)驗(yàn)。由單一變量法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析得出：表面粗糙度越大，沖擊后薄壁圓柱管的斷口寬度越大，即薄壁圓柱管越容易發(fā)生膨脹斷裂，如圖5所示。

表3 薄壁圓柱管實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 3 Experimental parameters of thin-walled cylindrical tubes

圓柱管凸起處內(nèi)部壓強(qiáng)載荷(p)和圓柱管凸起破裂處環(huán)向拉伸應(yīng)力(σ)可以分別表示為：

式中：r1和r2分別為圓柱管初始內(nèi)徑和外徑，Eb為SHPB桿的楊氏模量，A0、A1分別為SHPB和墊塊的橫截面積，ε1為SHPB桿上的透射應(yīng)變波。

為進(jìn)一步研究表面粗糙度對(duì)薄壁管沖擊膨脹斷裂行為的影響，現(xiàn)對(duì)相同粗糙度的薄壁柱殼(采用800CW砂紙?zhí)幚?在不同加載速率條件下進(jìn)行凍結(jié)回收實(shí)驗(yàn)，得到圓柱管膨脹斷裂過程中從發(fā)生塑性變形到裂紋在壁厚內(nèi)演化、再到圓柱管發(fā)生完全斷裂的整個(gè)過程，如圖6所示。由圖6可知：在實(shí)驗(yàn)所涉及應(yīng)變率范圍內(nèi)，提高加載速率，圓柱管內(nèi)部損傷演化的程度加劇，損傷演化速率更快，表現(xiàn)為宏觀徑向斷裂應(yīng)變?cè)黾?，斷裂時(shí)間縮短，即加載速率越大，薄壁管越容易發(fā)生膨脹斷裂[9]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與化爆圓柱管實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致[4]。

為分析薄壁柱殼膨脹斷裂機(jī)制，可將粗糙的表面近似用有軸向淺表面半橢圓裂紋的壓力圓筒表示，如圖7所示。采用線彈性力學(xué)方法，對(duì)切口尖端附近區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行定性分析，得出該區(qū)域任一點(diǎn)應(yīng)力分量σx、σy、τxy的表達(dá)式為：

式中：σa為距離切口處足夠遠(yuǎn)處均勻分布的拉應(yīng)力。半橢圓尖端斷裂臨界應(yīng)力為：

(5)

式中：KⅠC為材料的斷裂韌性，可通過查表得到；a為切口的深度；Q為形狀因子[12]。由式(5)可知，半長(zhǎng)軸a越大，σc就越大。定性分析可知，表面粗糙度越大，其尖端處集中應(yīng)力就越大，薄壁圓柱管越容易在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生膨脹斷裂。

2.2 裂紋萌生位置及形式

圖8為6061鋁合金薄壁管沖擊膨脹斷裂前、后金相組織。由圖8(b)可知，外部晶粒被環(huán)向拉伸，這是由于圓柱管內(nèi)部受到膨脹壓應(yīng)力的作用。同時(shí)，從圖8(b)觀察到軸向方向上外表面靠近裂紋位置的金相組織中有滑移線存在，其方向與外表面相平行。該滑移線的產(chǎn)生主要是由于試樣受到內(nèi)部載荷作用時(shí)發(fā)生膨脹，靠近外表面粗糙度比較大的區(qū)域受到了拉伸應(yīng)力的作用，而拉伸應(yīng)力由外表面向內(nèi)逐漸減少，不均勻的應(yīng)力分布及試樣的膨脹變形共同導(dǎo)致了滑移線的出現(xiàn)[13]。對(duì)變形區(qū)金相組織觀察發(fā)現(xiàn)，微裂紋主要存在于外表面粗糙度相對(duì)較大的晶界處。試樣除在外表面有裂紋萌生外，在靠近外表面的金相組織中也出現(xiàn)了較多的微裂紋，如圖8(c)～(d)所示。此外，從圖8(d)中觀察到的裂紋是以剪切形式萌生于外壁面比較粗糙的表面，并沿著45°剪應(yīng)力的方向擴(kuò)展，這是因?yàn)樽畲蠹魬?yīng)力方向與徑向的夾角為±45°。

2.3 裂紋擴(kuò)展及斷裂模式

由圖9(a)～(b)斷口可知，表面萌生的拉伸裂紋先沿徑向擴(kuò)展一段距離再轉(zhuǎn)而沿剪切方向向內(nèi)壁擴(kuò)展。這是因?yàn)樵跊_擊載荷作用下，裂紋首先在外表面粗糙度較大的地方產(chǎn)生，形成剪切斷口，裂紋進(jìn)一步向內(nèi)壁擴(kuò)展，形成滑移型斷口，斷口表現(xiàn)為拉剪混合型的形貌。裂紋的擴(kuò)展形式主要受應(yīng)力狀態(tài)的影響，當(dāng)裂紋受到的拉伸應(yīng)力較大時(shí)，裂紋呈張開型擴(kuò)展，隨著裂紋不斷向內(nèi)壁擴(kuò)展，沖擊載荷所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力未能達(dá)到使其產(chǎn)生剪切裂紋的應(yīng)力值，裂紋的擴(kuò)展為先張開、后滑移的方式。若裂紋從開裂就受到較大剪切應(yīng)力的影響，裂紋就會(huì)沿45°方向以剪切的方式擴(kuò)展，形成剪切裂紋，斷口就會(huì)呈現(xiàn)剪切形貌。在6061鋁合金薄壁圓管試樣外表面的裂紋開裂有沿徑向開裂(見圖9(c))和沿 45°方向開裂的(見圖9(d))兩種形式。因?yàn)榱鸭y的開裂形式主要是與外表面受到的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，當(dāng)表面受到的拉伸應(yīng)力較大時(shí)，裂紋的開裂方式便沿徑向開裂為主；當(dāng)表面受到的剪切應(yīng)力較大時(shí)，裂紋的開裂方式則沿 45°方向開裂為主。外壁面裂紋張開的寬度也比內(nèi)壁面寬，說明圓柱管在膨脹斷裂過程中，裂紋起始于外壁面。

從圖9也可以看出，斷口及外表面比較粗糙部位晶粒發(fā)生了細(xì)化，這是由于薄壁管外表面粗糙度較大的地方在膨脹變形的過程中受到的拉伸應(yīng)力及剪切應(yīng)力比較大，在凸凹不平的切口處發(fā)生較嚴(yán)重的開裂變形，從而達(dá)到細(xì)化晶粒的效果。6061鋁合金的晶界是較薄弱的環(huán)節(jié)，能量較低，當(dāng)晶界處的損傷達(dá)到臨界損傷條件時(shí)，外表面便產(chǎn)生張口和剪切口致使晶粒被拉伸和剪切細(xì)化，致使靠近斷口處出現(xiàn)較多的微裂紋[14]。

針對(duì)圓柱殼體膨脹斷裂是徑向裂紋從外表面向內(nèi)表面的擴(kuò)張，裂紋侵徹深度可由下式計(jì)算得到：

(8)

式中：T為殼體壁厚，σs為屈服強(qiáng)度，p為殼體內(nèi)部壓力。此殼體動(dòng)態(tài)斷裂準(zhǔn)最早由Taylor提出[15]。

2.4 表面形貌變化

通過凍結(jié)回收實(shí)驗(yàn)，可以得到不同表面粗糙度圓柱管膨脹斷裂過程中從發(fā)生塑性變形到裂紋在外壁表面演化、再到圓柱管發(fā)生完全斷裂的整個(gè)過程[9]。在沖擊膨脹實(shí)驗(yàn)過程中，6061鋁合金薄壁管首先從柱殼的外表面發(fā)生塑性變形開裂最后發(fā)生韌性斷裂，說明裂紋是從外表面開始產(chǎn)生的，如圖10所示。在圖10中觀察到試樣表面粗糙度越大，其發(fā)生塑性變形的程度就越大。這是因?yàn)榍锌诩熬Ы缣幨亲顬楸∪醯牡胤剑跊_擊力的作用下，外表面粗糙度較大的地方受到的拉伸及剪切應(yīng)力較大，因此，6061鋁合金薄壁圓柱管在晶界及表面粗糙度較大的地方首先開裂并發(fā)生塑性變形，表面出現(xiàn)開裂滑移的現(xiàn)象，樣品在最短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生開裂。

2.5 表面微觀形貌

圖11為6061鋁合金薄壁圓柱管沖擊膨脹斷裂后的表面微觀形貌。通過對(duì)內(nèi)、外壁所受到的應(yīng)力數(shù)值模擬可知，外壁所受到的環(huán)向拉伸應(yīng)力比內(nèi)壁要大得多，因此裂紋一般多萌發(fā)于靠近外壁表面粗糙度較大的部位。在圖11(a)中可以觀察到薄壁圓柱管的外表面晶界處有很多的微裂紋及滑移的痕跡，晶界處是較薄弱的環(huán)節(jié)，當(dāng)表面受到同等的應(yīng)力時(shí)，晶界處首先達(dá)到臨界損傷，產(chǎn)生圖11中的形貌。從圖11(b)～(c)中觀察到裂紋多產(chǎn)生于外表面凸凹不平粗糙度較大的區(qū)域，而在粗糙度較小的區(qū)域幾乎沒有裂紋產(chǎn)生。這是由于裂紋的萌發(fā)需要消耗一定的變形能，而裂紋在凸凹不平粗糙度較大的區(qū)域萌發(fā)所消耗的能量要比粗糙度較小的區(qū)域少得多。證實(shí)了宏觀分析中試樣表面粗糙度越大，試樣的外表面越容易產(chǎn)生裂紋，從而更容易導(dǎo)致試樣的開裂。在圖10(d)中觀察到滑移線和微裂紋的存在，說明圓柱管在膨脹斷裂的過程中，裂紋起始于外壁面，定性上與金相觀察分析的現(xiàn)象與結(jié)論相吻合。

2.6 斷口微觀形貌

圖12為6061鋁合金薄壁柱管斷口處的微觀形貌。由于6061鋁合金屬于塑形材料，其斷口的特征應(yīng)表現(xiàn)為韌性斷裂特征，但卻在斷口處發(fā)現(xiàn)了脆性材料中常出現(xiàn)的沿晶斷裂的特征，如圖12(a)～(b)所示。對(duì)斷口處放大觀察發(fā)現(xiàn)，沿晶斷裂處的晶面并不是光滑、干凈的，而是有許多細(xì)小淺韌窩存在，如圖12(c)所示。由此可以判定，斷口由韌性斷裂和脆性斷裂二者混合構(gòu)成，但主要是韌性斷裂[16]。

在圖12(a)中觀察到斷口上有很多的韌窩存在，其不僅表現(xiàn)為等軸韌窩的形態(tài)，還有剪切韌窩，見圖12(d)。對(duì)韌窩部位放大觀察，其中受拉伸應(yīng)力作用形成的是近似圓形的等軸韌窩，為正斷模式，如圖12(e)所示；而受剪切應(yīng)力作用形成的是呈拋物線形的剪切韌窩，并且拋物線的開口方向與切應(yīng)力的方向相同，為切斷模式，如圖12(f)所示。說明不同的應(yīng)力狀態(tài)下，斷口上的韌窩呈現(xiàn)不同形態(tài)。在斷口上兩種韌窩形態(tài)并存的現(xiàn)象，也主要是受應(yīng)力狀態(tài)的影響，如圖12(d)所示。因?yàn)閿嗫谑窃诶魬?yīng)力混合作用下產(chǎn)生的，在斷裂的過程中韌窩的形成也是在拉剪應(yīng)力混合作用下形成的，斷口才會(huì)存在有等軸韌窩、剪切韌窩以及由等軸韌窩與剪切韌窩混合的韌窩形態(tài)。

圖12中薄壁圓柱管微觀斷口形貌上同時(shí)存在著沿晶斷裂特征與韌窩特征等多種斷裂形式。薄壁圓柱管膨脹變形的過程中，試樣內(nèi)部的晶粒組織發(fā)生變形，晶界處產(chǎn)生損傷。隨著變形的加劇，晶界處的損傷進(jìn)一步累積，當(dāng)達(dá)到一定的臨界值時(shí)便會(huì)產(chǎn)生微裂紋，然而沒有產(chǎn)生微裂紋的晶界也會(huì)累積一定程度的損傷。當(dāng)裂紋向內(nèi)壁進(jìn)一步擴(kuò)展時(shí)，會(huì)優(yōu)先沿著損傷的晶界擴(kuò)展，最終斷裂形成斷口。通過金相及表面形貌分析可知，本文中薄壁圓柱管的斷口主要是在拉剪應(yīng)力混合作用下形成的，裂紋首先在表面比較粗糙的地方萌生，然后在拉伸應(yīng)力的作用下沿徑向擴(kuò)展，隨后在剪切應(yīng)力與拉伸應(yīng)力混合作用下沿 45°方向擴(kuò)展，最終引起斷裂。

3 結(jié) 論

(1) 圓柱管裂紋的萌生、擴(kuò)展主要受拉伸應(yīng)力及剪應(yīng)力的作用，裂紋沿45°方向擴(kuò)展。

(2) 沖擊膨脹過程中，裂紋萌生于試樣外壁面，裂紋的開裂與擴(kuò)展受裂紋生長(zhǎng)位置及應(yīng)力狀態(tài)的影響，表面粗糙度越大，越容易發(fā)生膨脹開裂。

(3) 試樣在膨脹變形過程中表面有滑移線產(chǎn)生，并且在粗糙度較大的地方及膨脹變形嚴(yán)重的區(qū)域內(nèi)，晶界處首先開裂產(chǎn)生微裂紋，同時(shí)有晶粒被拉伸細(xì)化的現(xiàn)象。

(4) 6061鋁合金沖擊膨脹斷口為拉剪混合型斷口，其微觀形貌特征包括韌窩特征及沿晶韌窩斷裂特征，韌窩的形態(tài)有等軸韌窩、剪切韌窩及混合韌窩。

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