新型高密度高強度合金鋼絕熱剪切微觀組織研究

潘 磊， 王 琳,2， 劉安晉， 程興旺,2

(1.北京理工大學 材料學院， 北京 100081；2.沖擊環(huán)境材料技術國家級重點實驗室， 北京 100081)

0 引言

高密度高強度合金鋼密度介于超高強度合金鋼及鎢合金之間，兼有高強度及良好的韌性，擁有良好的軍事應用前景[1]。

作為戰(zhàn)斗部殼體材料，在使用過程中將面臨高溫、高壓、高應變率等惡劣環(huán)境[2]，要求其具備良好的動態(tài)力學性能以保持結構完整性。Jun Feng等[3]使用30CrMnSiNi2A超高強度鋼侵徹混凝土靶板，當著靶大于1402 m/s之后，彈體頭部磨損嚴重，且可觀察到絕熱剪切帶生成。周忠彬等[4]在1100～1300 m/s速度下對G50鋼進行了侵徹鋼筋混凝土試驗，侵徹結束后彈體頭部發(fā)生了不均勻、不對稱破壞，影響侵徹深度。張勝男等[5]利用SHPB裝置對Aermet100鋼進行動態(tài)壓縮，在動態(tài)加載下產(chǎn)生了絕熱剪切帶，材料斷裂形式均為剪切斷裂。同時，Hu等[6-7]、Hopson等[8]也對Aermet100鋼的動態(tài)力學行為進行了深入研究。

綜上所述，絕熱剪切行為是影響材料在高應變率環(huán)境下使用的關鍵因素。國內外廣泛研究了超高強度合金鋼的絕熱剪切行為，對于高密度高強度合金鋼絕熱剪切行為的研究尚有欠缺。本研究利用課題組自主研制的新型高密度高強度合金鋼，采用分離式霍普金森壓桿(SHPB)裝置，進行高應變率載荷壓縮試驗，通過微觀組織結構分析得到材料在動態(tài)壓縮載荷下的絕熱剪切行為特點，對該高密度高強度合金鋼在戰(zhàn)斗部殼體材料的應用具有重要指導意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為本課題組自主研制的新型高密度高強度合金鋼，經(jīng)過熱處理之后的微觀組織形貌如圖1所示，橢球狀析出相彌散分布于基體中，析出相大小較為均勻。

圖1 新型高密度高強度合金鋼經(jīng)熱處理后的組織形貌

1.2 高應變率載荷壓縮試驗

利用SHPB裝置，如圖2所示[9]，采用帽形試樣對新型高密度高強度合金鋼進行高應變率載荷壓縮試驗，設備應變率加載范圍為1000～7000 s-1，應變率由氣室氣壓控制。帽形試樣由于其特殊構造，在高應變率加載下可將試樣的塑性變形限制在較窄區(qū)域內即剪切區(qū)域，更容易觀察到材料的絕熱剪切行為[10-11]。本次試驗所用帽形試樣尺寸及剪切區(qū)域如圖3所示。

圖2 SHPB裝置示意圖

圖3 帽形試樣尺寸及剪切區(qū)域示意圖

將動態(tài)壓縮后的試樣沿中軸線切開、拋光，然后用稀王水(40% HNO3+40% HCl+20% H2O，體積分數(shù))腐蝕約5 s后，利用光學顯微鏡(OM)及掃描電子顯微鏡(SEM)進行微觀組織觀察，研究其絕熱剪切行為。

2 結果與討論

2.1 高應變率載荷壓縮試驗結果

試樣經(jīng)不同氣壓、打擊速度在高應變率動態(tài)加載后試樣的剩余高度，如表1所示。

表1 帽形試樣經(jīng)動態(tài)壓縮后剩余高度

經(jīng)動態(tài)壓縮后，新型高密度高強度合金鋼發(fā)生了不同程度的變形，可在帽形試樣帽沿處觀察到變形及裂縫生成，當加載氣壓在0.35～0.4 MPa之間，打擊速度在16.64～18.75 m/s之間時，隨著加載氣壓的升高，變形量增大，試樣剩余高度減小，但減小幅度不大，說明新型高密度高強度鋼具有較好的抗沖擊能力。當加載氣壓大于0.4 MPa時，試樣不能繼續(xù)承載，發(fā)生剪切斷裂。

SHPB裝置所記載的電壓-時間曲線，可用于描述樣品的應力承載狀態(tài)，如圖4所示。

圖4 試樣高應變率載荷加載電壓-時間曲線

由應力波基礎理論及SHPB加載原理計算可知應力波在試樣中的加載時間為80 μs[12]。當承載時間(電壓-時間曲線從開始至急速下降拐點處所經(jīng)歷的時間)大于或等于80 μs時，證明材料在加載過程中未發(fā)生絕熱剪切；當承載時間小于80μs時，說明材料承載能力下降，需結合微觀組織分析是否發(fā)生絕熱剪切行為。

2.2 微觀組織觀察與分析

圖5分別為0.381 MPa、0.391 MPa、0.396 MPa加載氣壓，分別對應17.97 MPa、18.83 MPa、18.59 m/s打擊速度下，新型高密度高強度合金鋼經(jīng)動態(tài)壓縮后的微觀組織形貌。由圖4可知，在動態(tài)加載過程中，試樣承載時間均小于80μs，說明試樣承載能力下降，結合圖5中試樣在0.38～0.4 MPa加載氣壓下的微觀組織形貌可知，試樣均發(fā)生了絕熱剪切行為，在剪切區(qū)域可以觀察到絕熱剪切帶(ASB)的生成，并伴有裂紋的萌生擴展，最終導致材料斷裂失效。綜合觀察不同加載氣壓、打擊速度下材料的微觀組織可得，新型高密度鋼強度合金鋼在強剪應力作用下裂紋率先在強剪切區(qū)域兩端形核，主要沿著ASB擴展，并貫穿ASB。在ASB內部存在微裂紋，如圖5(b)所示，微裂紋可沿著剪切帶進一步生長與主裂紋相互連接，最終將導致斷裂發(fā)生[13]。隨著加載氣壓、打擊速度的提高，新型高密度高強度合金鋼絕熱剪切帶特征越明顯，局域剪切破壞程度越高，越容易發(fā)生裂紋之間的相互連接，導致材料發(fā)生失效斷裂。

圖5 新型高密度高強度合金鋼經(jīng)0.35～0.4 MPa加載氣壓動態(tài)壓縮后的微觀形貌(a)、(b) 0.381 MPa加載氣壓；(c)、(d) 0.391 MPa加載氣壓；(e)、(f)；0.396 MPa加載氣壓

在ASB內部中心區(qū)域可以觀察到新型高密度高強度合金鋼析出相的剪切破碎，析出相周圍基體發(fā)生了大扭曲變形。隨著加載氣壓的升高，析出相破碎變形程度及基體扭曲變形程度均有所提高。

在0.402 MPa加載氣壓、18.83 m/s打擊速度下，合金鋼經(jīng)動態(tài)壓縮后的斷口形貌如圖6所示。從圖6中可以看出，經(jīng)動態(tài)加載后合金鋼的斷口形貌主要為析出相的解理斷裂，并可在析出相中觀察到裂紋生成，基體沿著析出相邊緣斷裂。這是由于新型高密度高強度合金鋼基體的韌性較好，而析出相為硬脆相，在強剪應力作用下析出相率先發(fā)生剪切斷裂。

圖6 新型高密度高強度合金鋼經(jīng)0.402 MPa加載氣壓動態(tài)壓縮后斷口的微觀形貌

3 結論

本文利用SHPB裝置對帽形新型高密度高強度合金鋼進行了動態(tài)壓縮試驗，對動態(tài)壓縮后的材料的微觀組織形貌進行分析研究得出結論如下:

(1)帽形試樣新型高密度高強度合金鋼經(jīng)SHPB裝置在0.38～0.4 MPa氣壓動態(tài)壓縮后均發(fā)生了絕熱剪切行為，在帽形試樣剪切變形區(qū)均可觀察到絕熱剪切帶生成；當加載氣壓大于0.4 MPa，試樣發(fā)生剪切斷裂。

(2)對新型高密度高強度合金鋼經(jīng)動態(tài)壓縮后產(chǎn)生的絕熱剪切帶進行微觀分析，在剪切帶中心區(qū)域析出相剪切破碎，周圍基體發(fā)生大變形扭曲，裂紋沿著剪切帶進行擴展，擴展裂紋相互連接，最終導致材料發(fā)生斷裂失效。