平板冲击加载下对双相钢动态损伤演变的研究.pdf
平板冲击加载下对双相钢动态损伤演变的研究 ① 杨 扬1,2, 王 灿1 (1.中南大学 材料科学与工程学院,湖南 长沙 410083; 2.中南大学 有色金属材料科学与工程教育部重点实验室,湖南 长沙 410083) 摘 要 利用一级轻汽炮以一击二的方式对 2 种不同热处理状态的双相钢进行加载,采用多普勒测速系统对加载过程中样品的自 由面粒子速度进行测量,通过金相显微分析、纳米压痕分析对样品进行表征,探讨了双相钢的层裂损伤演变。 结果表明孔洞并没 有像准静态损伤理论一样在相界面处优先形核长大,而是在马氏体内部形核,然后长大贯通形成微裂纹贯穿整个马氏体,形成穿晶 断裂;由于相界面对冲击波具有反射与透射作用,冲击波从高阻抗的相传入低阻抗的相内时会在高阻抗相内形成拉伸脉冲,从而引 起层裂损伤;相界面越多,在高阻抗相内产生拉应力并形成孔洞的几率越大,样品层裂强度也越低。 关键词 双相钢; 层裂; 一级轻汽炮; 孔洞形核; 层裂损伤 中图分类号 TG142文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2020.01.034 文章编号 0253-6099(2020)01-0143-04 Dynamic Damage Evolution in Dual⁃Phase Steels Under Plate Impact Loading YANG Yang1,2, WANG Can1 (1.School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, Hunan, China; 2.Key Laboratory of Nonferrous Metal Materials Science and Engineering of Ministry of Education, Central South University, Changsha 410083, Hunan, China) Abstract The dual⁃phase steel samples with two different treatment conditions were loaded by using one stage light gas gun. During the loading process, the free⁃surface particle velocity of the samples was measured by using a Doppler velocity sensor. Then, the sample was characterized by using metallographic microscope, nanoindentation testing, for discussing the damage evolution of the spallation in the dual⁃phase steel. Results show that the void nucleation and growth are not found to preferentially occur at the phase interface as quasi⁃static damage evolution. Instead, the voids are nucleated in the martensite, and then grow and coalesce to form microcracks that run throughout the whole martensite, leading to the formation of transgranular fracture. Due to reflection and transmission of shock wave by the phases interface, a tensile pulse will be generated in the phase with high impedance when a shock wave is transmitted from martensite with high impedance to ferrite with low impedance, leading to the spallation damage. And, more phase interfaces will lead to the greater probability of tensile stress generated in the high impedance phase and more void nucleation, resulting in the reduction in the spallation strength. Key words dual⁃phase steel; spallation; one⁃stage light gas gun; voids nucleation; spallation damage 层裂是由应力波之间的相互作用使材料发生动态 断裂的破坏过程[1]。 金属材料层裂损伤的演变通常 包括微孔洞的形核、长大、贯通等过程[2-5]。 此前的研 究都集中在纯金属或者单相合金中的层裂研究[6-9], 而少部分多相合金的研究中都是关于第二相对多相材 料层裂强度等的影响[10-11],目前多相合金层裂损伤演 变机制还缺乏系统研究。 本文选取双相钢作为研究对 象,探究多相合金层裂过程中孔洞形核以及损伤演化 的机制。 1 实 验 实验所用材料为分级淬火后的 20 钢,其初始组织为 ①收稿日期 2019-07-24 基金项目 国家自然科学基金(51274245,51574290);NSAF 联合基金(U1330126) 作者简介 杨 扬(1963-),男,湖南常德人,博士,教授,主要研究方向为材料动态行为。 通讯作者 王 灿(1993-),男,湖南岳阳人,硕士研究生,主要研究方向为材料动态行为。 第 40 卷第 1 期 2020 年 02 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.40 №1 February 2020 万方数据 铁素体加珠光体组织。 为得到 2 种不同相组分的双相 钢,对 20 钢采用 2 种不同分级淬火1#样品在 1 000 ℃ 保温 60 min,随炉冷却至 740 ℃,并保温 30 min,取出 后在冷盐水中淬火;2#样品在 1 000 ℃保温 60 min,然 后随炉冷却至 780 ℃,并保温 30 min,取出后在冷盐水 中淬火(在冷盐水中淬火是为了加快冷却速度,并防 止样品表面产生气泡导致淬火组织不均匀)。 采用一级轻汽炮对热处理后的 2 个样品进行动态 加载实验,加载实验在西南交通大学开展(采用57 mm 口径的轻气炮设备)。 为了使 2 种样品受同样程度的 冲击,本次实验以一击二的形式进行冲击加载,即一个 飞片经发射后同时击打到两个样品上。 一级轻气炮实 验中所用的飞片尺寸为 Φ52 mm 2 mm,2 种样品尺 寸为 Φ20 mm 4 mm, 加载速度为 250 m/ s。 同时为 避免回收样品受到二次损伤,对冲击后的样品采用软 回收方式。 通过安装在试样自由面的 DPS 探头获得 试样自由面速度曲线。 图 1 为靶板示意图。 Φ21 mm Φ80 mm 6 mm 4 mm 图 1 靶板示意 为了研究双相钢微观组织形态及其内部层裂损伤 的位置分布等信息,对冲击前后的样品进行金相观察。 冲击前后的样品用水磨砂纸磨光,然后使用 W1.5、 W0.5 金刚石研磨膏依次进行抛光处理,最后用 4%硝 酸酒精溶液进行侵蚀,制得金相试样,观察双相钢内部 微观组织。 根据材料动力学理论,材料的冲击阻抗会影响冲 击波的传播,从而影响层裂损伤的形核以及发展。 材 料阻抗可近似用初始密度 ρ0和声波速度 C0(C0= E/ ρ0,E 为材料杨氏模量,用弹性模量替代)的乘积 表示。 纳米压痕测试在瑞士 CSM 公司生产的 UNHT 纳米压痕试验机上开展,每个相测试 3 个点,得到纳米 硬度和弹性模量平均值,计算出铁素体与马氏体两相 冲击阻抗值。 2 实验结果及讨论 2.1 热处理对双相钢组织的影响 2 个样品金相图如图 2 所示。 图中浅色区域为铁 素体,深色区域为马氏体。 图 2 两种不同热处理后的样品金相图 (a) 1#样品; (b) 2#样品 通过 IPP(image pro plus)软件计算得出 2 个样品 各相含量以及铁素体晶粒尺寸,如表 1 所示。 表 1 样品各相含量及晶粒尺寸 样品 各相含量(面积百分比) / % 马氏体铁素体 铁素体平均晶粒尺寸 / μm 1#45.5154.4947.78 2#77.222.854.99 由表 1 可以发现,2#样品内的马氏体明显多于 1# 样品,这是因为低碳 20 钢在分级淬火过程中,随着保 温温度升高奥氏体的体积分数增加,随后在盐水中淬 火时奥氏体转变成马氏体,因此马氏体的含量随着淬 火温度升高而增加。 2.2 自由面速度曲线分析 图 3 为 2 个样品在 250 m/ s 的飞片撞击下用 DPS 测速系统所测得的自由面曲线。 ;0μs 250 200 150 100 50 0 0.30.00.60.91.21.51.8 DA6;,m s-1 1 2 图 3 自由面速度时间曲线图 2 个样品所受的冲击压力可由下式[4]计算得到 σp = ρ 0(C0 + Su)u (1) 式中 σp为冲击压力, GPa; ρ0为 20 钢的密度, 取 441矿 冶 工 程第 40 卷 万方数据 7.85 g/ cm3;S 为 Gruneisen 状态方程参数,20 钢对应 的 S 值为1.20[12];C0为体积声速,取 4.607 mm/ μs[12]; u 为波后粒子速度,为冲击速度的一半,取 125 m/ s。 通过 计 算 得 到 2 个 样 品 所 受 到 的 冲 击 压 力 为 4.67 GPa。 层裂强度是动态损伤应力的一种度量,关于层裂 强度的计算可以由下式[2]计算得出 σf= 1 2 ρ0C0Δu(2) 式中 σf为层裂强度,GPa;Δu 为自由面速度 Pullback 的幅值,Δu=umax -u min,它常常作为是否发生层裂以及 预估层裂强度的重要依据。 计算结果如表 2 所示。 表 2 自由面速度曲线相关参数计算结果 样品编号 σp/ GPa Δu/ (ms -1 ) σf/ GPa 1# 4.67 148.743.024 2#161.513.284 计算得到 1#样品的层裂强度比 2#样品的小,并且 Pullback 幅值表征了损伤成核或起始的条件 成核 强度[13],说明 1#样品更易形成孔洞,这是因为 1#样品 中相界面较多,在同一加载速度条件下 1#样品与 2#样 品相比,由于相界面对冲击波的反射与透射作用会在 高阻抗的相内形核,这也意味着相界面越多,在高阻抗 相内产生拉应力并且形成孔洞的几率也越大,因此降 低了 1#样品中的层裂强度。 2.3 层裂损伤金相分析 冲击后样品内部层裂损伤分布以及形核位置见 图 4。图中深色区域为马氏体,浅色区域为铁素体,黑 色为孔洞与裂纹。 由图 4 可以看出,2 个样品中的层 裂初期孔洞都形核于马氏体内部,然后孔洞长大贯通 形成微裂纹,表现为穿晶断裂。 一般而言,准静态加载 条件下,由于两相的物理力学性能差异导致在两相的 界面上产生应力与应变差异,容易产生应力集中,所以 在准静态加载条件下相界面一般是孔洞优先形核长大 的位置[14];但是在动态加载条件下的层裂损伤中,孔 洞在马氏体内部形核并且长大贯通形成微裂纹。 1#样 品中的裂纹扩展方向基本与冲击方向垂直,而 2#样品 中的裂纹没有朝一个方向扩展,这是因为 2#样品中的 马氏体内部呈群落状分布,一个马氏体群落由几个原 奥氏体晶粒组成,不同奥氏体内部马氏体束的位向不 同,因此裂纹扩展被限制在不同的区域,裂纹不容易沿 着一个方向扩展。 图 4 冲击后样品的显微组织图 (a),(b) 1#样品; (c),(d) 2#样品 2.4 相界面对孔洞形核的影响 对马氏体相以及铁素体相进行纳米压痕实验,得 到两相平均压深⁃载荷的加载、卸载曲线如图 5 所示。 nm 12 10 8 6 4 2 0 700140210280350 B/mN 5; ; 图 5 各相纳米压痕压深⁃载荷加载、卸载曲线 通过阻抗值的计算公式可得到各相的冲击阻抗 值[4] Z = ρ0C0(3) 式中 C0为声波速度,由前文提到的公式计算得到;ρ0 为各相密度,可以根据两相的含碳量计算出两相的相对 密度。 纳米压痕实验相关参数以及计算结果见表 3。 表 3 纳米压痕实验数据 相 密度 / (gcm -3 ) 纳米硬度 / GPa 弹性模量 / GPa 声速 / (kms -1 ) 估算阻抗值 Z / (gμs -1 mm -2 ) 1#样品中 的马氏体 7.787.83228.655.420.042 16 铁素体7.873.71212.585.200.040 92 由表 3 可以看出,马氏体的纳米压痕硬度要高于 铁素体,并且马氏体内部冲击阻抗要高于铁素体内部 冲击阻抗。 根据文献[3]对材料动态力学行为阐述可 541第 1 期杨 扬等 平板冲击加载下对双相钢动态损伤演变的研究 万方数据 知,相界面对冲击波具有反射与透射作用,所以冲击波 从高阻抗的马氏体内部传入低阻抗的铁素体内部时, 会在马氏体内部产生一个拉伸应力,当这个拉升应力 达到足够大时,就会在马氏体内部形成孔洞。 3 结 论 1) 动态加载条件下,孔洞在马氏体内部形核、长 大、贯通形成微裂纹,并且裂纹表现为穿晶断裂。 2) 1#样品中的裂纹扩展方向大部分与冲击方向 垂直;而 2#样品中的裂纹没有沿着一个方向扩展,这 是因为 2#样品中马氏体内部呈群落状分布,由不同的 原奥氏体晶粒组成,不同的原奥氏体内部的马氏体束 位向差较大,导致裂纹限制在不同区域,因此裂纹难以 朝一个方向扩展。 3) 马氏体的阻抗大于铁素体的阻抗。 由于相界 面对冲击波具有反射与透射作用,冲击波从高阻抗的 相传入低阻抗的相内时会在高阻抗相内形成拉伸脉 冲,从而引起层裂损伤。 因此,层裂损伤过程中孔洞在 马氏体内部形核长大、贯通形成微裂纹,最后贯穿整个 马氏体。 4) 相界面对冲击波具有反射与透射作用,因此, 样品中相界面越多,在高阻抗相内产生拉应力并且形 成孔洞的几率也越大,样品的层裂强度越低。 参考文献 [1] Davison L, Graham R A. Shock compression of solids[J]. Physics Reports, 1979,55(4)255-379. [2] Curran D R, Seaman L, Shockley D A. Dynamic failure of solids[J]. Physics Reports⁃review Section of Physics Letters, 1987,147253-388. [3] Meyers M A. Dynamic behavior of materials[M]. New York John Wiley & Sons, 1994. [4] Antoun T H, Curran D R, Razorenov S V, et al. Spall fracture[M]. New York Springer, 2003. [5] Christy S, Pak H R, Meyers M A. Metallurgical Applications of Shock⁃Wave and High⁃Strain⁃Rate Phenomena[M]. New York Mar⁃ cel Dekker, 1986. [6] Escobedo J, Denniskoller D, Cerreta E, et al. Effects of grain size and boundary structure on the dynamic tensile response of copper[J]. Journal of Applied Physics, 2011,110(3)260-262. [7] Yang Y, Peng Z, Guo Z, et al. Multidimensional Study on Spall Be⁃ havior of High⁃Purity Copper Under Sliding Detonation[J]. Metallur⁃ gical and Materials Transactions A, 2015,46(9)4070-4077. [8] Yang Y, Chen J X, Peng Z Q, et al. X⁃ray quantitative analysis on spall⁃ ation response in high purity copper under sweeping detonation[J]. Mate⁃ rials Science and Engineering A, 2016,66754-60. [9] Pedrazas N A, Worthington D L, Dalton D A, et al. Effects of micro⁃ structure and composition on spall fracture in aluminum[J]. Materials Science and Engineering A, 2012,536117-123. [10] Minich R W, Cazamias J U, Kumar M, et al. Effect of microstruc⁃ tural length scales on spall behavior of copper[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2004,35(9)2663-2673. [11] Pedrazas N A, Worthington D L, Dalton D A, et al. Effects of mi⁃ crostructure and composition on spall fracture in aluminum[J]. Ma⁃ terials Science and Engineering A, 2012,536(3)117-123. [12] 王永刚,贺红亮. 20#钢动态拉伸断裂行为及其临界损伤度研究[J]. 固体力学学报, 2008,29(4)354-360. [13] 裴晓阳,彭 辉,贺红亮,等. 延性金属层裂自由面速度曲线物理 涵义解[J]. 物理学报, 2015,64(3)412-419. [14] 杨 扬,蒋 志,胡海波,等. 相界面对双相钛合金层裂孔洞形核 的影响[J]. 矿冶工程, 2018,38(3)143-147. 引用本文 杨 扬,王 灿. 平板冲击加载下对双相钢动态损伤演变的 研究[J]. 矿冶工程, 2020,40(1)143-146. 关于检测学术不端的公告 为弘扬良好学术风气,保护知识产权,防止抄袭、伪造、篡改、不当署名、一稿多投、一个学术成果多篇发表等 学术不端行为,本刊与中国学术期刊(光盘版)电子杂志社合作,由中国学术期刊(光盘版)电子杂志社学术不端 文献检测中心对本刊网络版刊登的文章进行系统检测,并按照“中国学术期刊网络出版总库删除学术不端文 献暂行办法”,对出现以上学术不端行为的文章作出严肃处理。 特此公告 矿冶工程杂志编辑部 2020 年 2 月 641矿 冶 工 程第 40 卷 万方数据