軋制織構(gòu)對(duì)激波管用膜片爆破形貌的影響

孫嘉麟 馮 游 許 崗 成鵬飛

（西安工業(yè)大學(xué)a.材料與化工學(xué)院；b.光電工程學(xué)院）

激波管系統(tǒng)是一種用于材料爆炸沖擊性能研究的試驗(yàn)平臺(tái)，例如置于爆炸或沖擊載荷下的軍事武器裝備材料的防爆性能研究［1，2］。常規(guī)的激波管分為驅(qū)動(dòng)段和被驅(qū)動(dòng)段，中間由聚酯薄膜或金屬膜片分隔開，膜片的受壓破裂使高壓氣體由驅(qū)動(dòng)段向被驅(qū)動(dòng)段傳播形成沖擊波。 作為激波管中的重要組件，膜片的爆破壓力、破口面積及破口形狀等因素與產(chǎn)生的沖擊波性質(zhì)密切相關(guān)［3，4］。ANDREOTTI R 等發(fā)現(xiàn)當(dāng)管內(nèi)氣體壓力釋放時(shí)間比膜片打開所用時(shí)間長時(shí)，膜片的破開過程會(huì)對(duì)沖擊波的壓力峰值產(chǎn)生較大影響，而且膜片的破開形貌不佳會(huì)導(dǎo)致激波管截面積減小，從而造成沖擊波壓力峰值降低［5］。ZARE-BEHTASH H 等認(rèn)為激波管的出口處微小的擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致沖擊波氣流不穩(wěn)定，因此膜片破口形狀對(duì)于激波性質(zhì)測量精度影響很大［6］。ANDREOTTI R 等通過有限元方法，發(fā)現(xiàn)膜片的開合度是造成激波能量耗散損失的主要原因。 因此，激波管用膜片需要滿足額定壓力下的精準(zhǔn)爆破、破口面積足夠大及形狀對(duì)稱等要求。

金屬軋制板材的織構(gòu)會(huì)導(dǎo)致組織分布不均勻的現(xiàn)象［7～10］。 軋制（RD）方向與垂直軋制（TD）方向上的力學(xué)性能差異可達(dá)到30%以上［11］。 這使得同一批次爆破膜片會(huì)出現(xiàn)膜片破裂形態(tài)差異大、爆破壓力不穩(wěn)定等現(xiàn)象，約占爆破試驗(yàn)數(shù)的25%以上，其中膜片只沿著一條刻槽破開的極端不對(duì)稱現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生。 有學(xué)者依據(jù)膜片破裂形態(tài)對(duì)膜片的厚度、槽深、夾具圓角及膜片幾何結(jié)構(gòu)等因素進(jìn)行了深入討論［12～18］，同時(shí)研究了材料的性能 與 爆 破 壓 力 之 間 的 關(guān) 系［19，20］，但 對(duì) 這 種 極 端 不對(duì)稱現(xiàn)象分析較少。

筆者針對(duì)一種激波管用不銹鋼平板型膜片，通過材料試驗(yàn)與有限元模擬相結(jié)合的方法，研究軋制織構(gòu)導(dǎo)致的材料性能各向異性與膜片爆破形態(tài)之間的關(guān)系，討論在不同的材料性能各向異性條件下，膜片爆破形態(tài)的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 材料試驗(yàn)

選用某廠提供的316L 不銹鋼冷軋板， 牌號(hào)022Cr17Ni12Mo2，厚度分別為1、2 mm。 按拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)制備拉伸試樣， 使用ETM205D 型拉伸機(jī)進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)，加熱至450 ℃、保溫15 min后進(jìn)行拉伸，拉伸速率為1 mm/min，拉伸試驗(yàn)結(jié)果將用于后續(xù)模擬試驗(yàn)。 爆破試驗(yàn)采用一種高溫氣體激波管，工作氣體為工業(yè)氮?dú)?，最大工作溫度?50 ℃。

1.2 有限元模擬

膜片設(shè)定為平板刻槽型，其幾何結(jié)構(gòu)和尺寸（單位：mm）如圖1 所示。 使用LS-DYNA 軟件進(jìn)行建模和模擬試驗(yàn)。 考慮到膜片具有軸對(duì)稱性，故建立1/4 模型，膜片和夾具的模型、網(wǎng)格劃分如圖2 所示。

圖1 膜片結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 模型以及網(wǎng)格劃分

膜 片 與 夾 具 之 間 的 接 觸 使 用“*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_ SURFACE” 自動(dòng)面接觸命令， 以模擬膜片的夾持狀態(tài)。 采用“*LOAD_SEGMENT_SET”命令，模擬高壓氣體對(duì)膜片的載荷。 在膜片高壓一側(cè)施加載荷， 并對(duì)夾具和膜片被加持部位施加約束載荷，載荷和約束分布如圖3 所示。 載荷隨時(shí)間變化曲線如圖4 所示，載荷壓強(qiáng)大小隨時(shí)間增加，當(dāng)膜片破裂時(shí)（壓強(qiáng)p達(dá)到臨界值pb），膜片上的載荷迅速降為0， 模擬膜片破開后驅(qū)動(dòng)段內(nèi)壓力釋放的過程。 模擬試驗(yàn)中采用“*MAT_PLASTIC_KINEMATIC”材料模型，材料模型中具體參數(shù)值通過316L 不銹鋼高溫拉伸試驗(yàn)得到。

圖3 載荷和約束分布

圖4 載荷隨時(shí)間變化曲線

1.3 膜片爆破試驗(yàn)

使用某型號(hào)的高溫氣體驅(qū)動(dòng)激波管，在450 ℃時(shí)進(jìn)行爆破試驗(yàn)。 試驗(yàn)開始前在驅(qū)動(dòng)段內(nèi)充入一定量的高壓氮?dú)?，采用加熱電阻絲對(duì)驅(qū)動(dòng)段管體進(jìn)行加熱， 驅(qū)動(dòng)段內(nèi)氣體的壓力隨之逐漸升高，在達(dá)到膜片承受極限時(shí)發(fā)生爆破，待管體冷卻后取出膜片并研究其爆破形態(tài)。

2 結(jié)果與分析

2.1 材料組織與性能分析

對(duì)所制備的316L 不銹鋼試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖5 所示。 可知在450 ℃時(shí)，1 mm 和2 mm 厚度板材的屈服強(qiáng)度σ0.2分別為159 、166 MPa，抗拉強(qiáng)度σb分別為427、440 MPa，斷后伸長率A分別為45.5%、38.0%。

圖5 316L 不銹鋼冷軋板450 ℃時(shí)工程應(yīng)力應(yīng)變曲線

軋制板材通常會(huì)在厚度方向存在軋制特征。在面積為（1000×2000） mm2、厚度1 mm 和2 mm的板材的軋制方向的中心和邊緣共取樣4 個(gè)，樣品的金相組織如圖6 所示，EBSD 測試結(jié)果如圖7所示。 可以看出，板材任意位置均存在軋制流線；不同位置的晶粒度差別較大，這說明軋制后板材的組織分布不均勻。

圖6 板材不同位置的金相組織

圖7 板材晶粒取向分布圖

4 個(gè)樣品的奧氏體相極圖如圖8 所示。 圖8a中的{100}極圖面上，在左側(cè)邊緣可看到極密度較大區(qū)域，表明＜100＞晶向和軋制RD 方向平行；圖8b 中的{110}極圖面上圓心極密度相對(duì)較大，可推斷（110）面平行于軋制面，＜110＞晶向與ND 方向平行，同時(shí)還可以看出存在其他織構(gòu)；圖8c 中的{100}極圖面上，強(qiáng)極密度區(qū)分布不均勻，表明樣品織構(gòu)混亂；圖8d 中的{110}極圖面上，沒有明顯極點(diǎn)，說明織構(gòu)不明顯。 綜上所述板材存在織構(gòu)，但織構(gòu)混亂， 表明板材不同位置樣品的織構(gòu)分布不均勻，這會(huì)導(dǎo)致材料的力學(xué)性能各向異性。

圖8 奧氏體相極圖

2.2 模擬結(jié)果分析

有限元模擬中，材料模型設(shè)置對(duì)模擬結(jié)果尤為重要，選擇合理的材料參數(shù)是模型計(jì)算結(jié)果可靠性的保證。 資料顯示［21，22］，拉伸試驗(yàn)結(jié)果中，材料的σ0.2、σb、A等性能參數(shù)可用于材料模型的設(shè)置。 選用450 ℃下拉伸的316L 不銹鋼的拉伸結(jié)果作為材料模型參數(shù)（表1）。 其中切線模量在此材料模型中取固定值。材料屬性設(shè)置見表2，A 槽部分材料與膜片材料強(qiáng) 度一致，B 槽部位材料設(shè)置中抗拉強(qiáng)度低于A 槽。

表1 模擬試驗(yàn)中材料模型參數(shù)

圖9 刻槽部位強(qiáng)度有差異的膜片模型

表2 刻槽部位強(qiáng)度參數(shù)

對(duì)表2 中的膜片模型爆破過程進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖10 所示 （圖10a～e 為板材厚度1 mm、刻槽深0.3 mm，圖10f～j 為板材厚度2 mm、刻槽深1.1 mm），圖中橫向?yàn)锳 槽，豎向?yàn)锽 槽。 可以看出，隨著膜A、B 刻槽部位材料抗拉強(qiáng)度差異的增大，B 槽破口面積明顯大于A 槽， 爆破形態(tài)出現(xiàn)了明顯不均勻現(xiàn)象。 在刻槽抗拉強(qiáng)度差異大于2.5%后， 膜片的爆破形態(tài)出現(xiàn)了不均勻現(xiàn)象；刻槽抗拉強(qiáng)度差異大于7.5%后，出現(xiàn)只沿一條刻槽破裂的極端形態(tài)，如圖10e、j 所示。

圖10 膜片爆破后形態(tài)隨材料參數(shù)的變化

2.3 爆破試驗(yàn)

按照表2 所列的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以316L 不銹鋼冷軋板為材料加工50 片膜片 （1 mm 與2 mm 厚度膜片各25 片）進(jìn)行爆破試驗(yàn)。 激波管加熱溫度為450 ℃，驅(qū)動(dòng)段驅(qū)動(dòng)氣體為氮?dú)猓罡邏毫?0 MPa。爆破后的膜片中有15 片出現(xiàn)了爆破形態(tài)異常， 其中有11 片出現(xiàn)了模擬試驗(yàn)中的極端情況，即膜片只沿著一條刻槽破開，現(xiàn)展示其中6 片的形態(tài)（圖11）。 圖11a～c 為板材厚度1 mm、刻槽深0.3 mm 膜片，圖11d～f 為板材厚度2 mm、刻槽深1.1 mm 的膜片。 與圖10 中的模擬結(jié)果相比對(duì)，可見爆破后膜片的形態(tài)與模擬試驗(yàn)吻合程度較高，表明材料力學(xué)性能各向異性對(duì)膜片爆破形態(tài)的影響不能忽略。

圖11 爆破后膜片的形態(tài)

316L 軋制板材微觀組織存在織構(gòu)不均勻和晶粒度不均勻分布的現(xiàn)象，這導(dǎo)致膜片的力學(xué)性能存在各向異性。 加工膜片時(shí)，當(dāng)刻槽位置恰好平行或垂直于膜片織構(gòu)（軋制方向）時(shí)，爆破極易導(dǎo)致刻槽開裂程度不一致或只沿一條槽開裂的極端情況。 本次試驗(yàn)結(jié)果顯示，爆破形貌異常比例超過30%，表明組織均勻性對(duì)膜片破裂形貌的影響不能忽視。 爆破膜片用軋制金屬板材應(yīng)當(dāng)進(jìn)行熱處理和交叉軋制工藝，弱化力學(xué)性能各向異性現(xiàn)象。

3 結(jié)論

3.1 對(duì)比316L 不銹鋼冷軋板織構(gòu)與激波爆破形貌關(guān)系。 通過計(jì)算模擬和爆破試驗(yàn)，看出316L 不銹鋼冷軋板中存在軋制流線，不同位置的晶粒尺寸不均勻。

3.2 由織構(gòu)造成的抗拉強(qiáng)度差異超過2.5%時(shí)，爆破形態(tài)出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象；在差異超過7.5%以上時(shí)，會(huì)出現(xiàn)僅一條刻槽破開的極端現(xiàn)象。

3.3 軋制金屬板材應(yīng)當(dāng)進(jìn)行熱處理和交叉軋制工藝，弱化力學(xué)性能各向異性現(xiàn)象。