（材料物理与化学专业论文）应力波载荷作用下金属材料的应力应变行为及显微组织研究.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 应力波载荷作用下金属材料的应力应变行为及显微组织磺究 摘要 利用r t o p k i n s o n 压杆实验装匿对国产管线钢和自制镁合金进行了冲击实验，分 橱q - x 7 0 警线钢鞠m g a 1 ( a z 9 1 ) 会金舞应变率变形过程中瓣组织演变裂其动态应 力一应变行为的应变率效应。同时，利用改变试样几何的方法改变材料的受力分布， 对圆柱形和哑铃型试样进行了动态冲击压缩托较试验，重点讨论管线钢的受力状 态对耱瓣交澎戆影薅。分褥了滓火x 7 0 管线镶在蔫疫变率下产生懿是熬剪甥变影 带和负应变率效应。结果表明： ( 1 ) 程应变率高达1 0 3 s “祭件下，铁素体板祭内形成了大量的位错胞亚醚结构，随 瘟变率璜麓，铁素髂缀织蔓藩缓纯，献蔼使x 7 0 警线镅产生了显萋静增强瓒 塑现象。与车l 制态相比较，8 6 0 c 溜火热处理后殿铁素体扳条内位镄密度稳所 降低产生了更强的应变硬化与增塑效应。 ( 2 ) 在1 0 2 s 一1 0 3 s 。应交率下，随应交器提高，a z 9 1 含金在铸态和固溶及时散处 理后的威力残变曲线均呈瑗出先秀离薅贩下降的双重性，亦即：在相同应变 时，随成变率掇高，a z 9 1 合余在三种状态下的流变应力均先提高而厝降低。旺一 m g 基体的翻工硬纯、 3 - m g l t a t l 2 稻和m g - a 1 - m n 稻静疆纯楚该食金应力藏变 熬线随发变搴提毫聪舞裹懿根本殿因，魏濒或裂绞的产生与发展裂楚其应力一 应变曲线随应变率提高而下降的主要原因。 f 3 ) 在子弹速度为2 5 m s 的高速冲击载荷作用下，x 7 0 管线钢豹绝热剪切不敏感性 怒翅对黪，受力条 孛对警线镪挞辩瓣损锈( 裂纹秘变形繁) 蠢重要影响。 ( 4 1 以马氏体组织为主的水淬火态x 7 0 管线钢的材料内部损伤的率相关演化在扮 演主导性弱化角色的时候，材料表现出反向斑变率效应。在应变率商达 2 5 x 1 0 3 s 。变形条终下，零漳炎态x 7 0 喾线锈产生了弱罄骜甥形变繁，著警带 内及周围都出现了孔洞，带内硬度明显增加。 关键调：应变率，寝力一应交嚣凌，显微结擒，受应变率效斑，赘规形变媾 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t r e s e a r c ho nd y n a m i cm e c h a n i c a lb e h a v i o r sa n dm i c r o s t r u c t u r e s f o rm e t a l l i cm a t e r i a l su n d e rs t r e s sw a v e l o a d i n g a b s t r a c t t h ed y n a m i ce x p e r i m e n t sf o rt h ep i p e l i n es t e e la n dt h em a g n e s i u ma l l o y sw e r e c a r r i e do u t u s i n g t h e h o p k i n s o np r e s s u r e b a r f r o mt h eo b s e r v a t i o n so ft h e m i c m s t r u c t u r eo ft h ex 7 0 p i p e l i n es t e e la n dt h em g - a 1 ( a z 9 1 ) a l l o y ，t h es t r u c t u r a l e v o l u t i o ni nt h ec o u r s eo fp l a s t i cd e f o r m a t i o na t h i 曲- s t r a i n r a t e a n d d y n a m i c s t r e s s - s t r a i nb e h a v i o rw e r ea n a l y z e d a tt h es a m et i m e ，t h em e t h o do fc h a n g i n g g e o m e t r yo fs p e c i m e nt oc h a n g es t r e s sd i s t r i b u t i o n ，w h i c hw a se f f e c t e do ns p e c i m e n ， w a su s e d t h ed y n a m i ci m p a c tc o m p r e s s i o ne x p e r i m e n t sc o m p a r e dc y l i n d e rs p e c i m e n w i t hd u m b b e l ls p e c i m e n d i f f e r e n ts t r e s sd i s t r i b u t i o nr e s u l t e di nd i f f e r e n td i s t o r t i o no f p i p e l i n es t e e lw a s d i s c u s s e ds p e c i f i c a l l y n e g a t i v es t r a i nr a t ee f f e c ta n dl o c a l i z e ds h e a r d e f o r m a t i o nb a n do fx 7 0p i p e l i n es t e e lq u e n c h e di nw a t e ra f t e rh e a tt r e a t m e n tw e r e a n a l y z e d t h e r e s u l t sh a v eb e e no b t a i n e da sf o l l o w s ： f 1 1a l o to f d i s l o c a t i o nc e l l sf o r mi nt h ef e r r i t el a t l a sa n dt h ef e r r i t el a t h sa r er e m a r k a b l y f r a g m e n t a t e du n d e rs t r a i nr a t eo f 1 0 3 s t h i sl e a d st ot h ei n c r e a s ei nb o t ht h e s t r e n g t ha n dt h ep l a s t i c i t y o ft h ex 7 0p i p e l i n es t e e l t h e p i p e l i n e s t e e la f t e r q u e n c h i n g a t8 6 0 cs h o w sas t r o n g e ri nw o r k - h a r d e n i n ga n dp l a s t i c i t yd e f o r m a t i o n b e h a v i o rt h a nt 1 1 a to f r o l l i n gc o n d i t i o n ( 2 ) t h es t r e s s s t r a i n c u r v e so ft h ea z 9 1a l l o ya tc a s t ，s o l u t i o na n da g e dc o n d i t i o n s e x h i b i tar i s ef i r s ta n dt h e nd e c l i n ew i t ht h ei n c r e a s eo ft h es t r a i n r a t e i nt h e s t r a i n r a t e r a n g e o f l 0 2 s 一1 0 3 s i no t h e rw o r d s t h ef l o ws t r e s so ft h ea l l o y a p p e a r st ob e i n c r e a s ef i r s t ，a n dt h e nd e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo f t h es t r a i n r a t ea t t h es a m es t r a i n n er e a s o nf o rt l l i si st h a tt h ef l o ws t r e s si n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s e o ft h es t r a i n r a t ef o rt h ea l l o yi sp r o p o s e dt ob ec a u s e db yt h ew o r k h a r d e n i n go f t h e a m gm a t r i xa n d t h ep r e c i p i t a t i o ns t r e n g t h e n i n go f t h ep a r t i c l e so fp m g l 7 a l l 2 a n dm g a 1 m n ，w h e r e a st h ef l o ws t r e s sd e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo f t h e s t r a i n r a t e m a y b ea t t r i b u t e dt ot h ei n i t i a t i o n ，g r o w t ha n dc o a l e s c e n c eo f t h eh o l e so rc r a c k s ( 3 ) w h e nb u l l e tv e l o c i t yo f2 5 m s ，n os e n s i t i v i t ya b o u t t h ea d i a b a t i cs h e a rb a n d so f - i i - 东北大学硕士淖位论文 a b s t r a c l 、 x 7 0 p i p e l i n es t e e l i sr e l a t i v e ，at e s t i n gg e o m e t r y ，s u c ha sd u m b b e l l ，g e n e r a t i n g c o n t r o l l e ds t r e s ss t a t ew a sa p p l i e dt os p e c i m e n sw i t hi t sa x i sp a r a l l e lt ot h el o a d i n g a x i sb yu s eo fas p l i th o p k i n s o np r e s s u r eb a r ( s h p b ) a p p a r a t u st h a tg e n e r a t e sa s t r a i nr a t e 。r e v e a l i n gt h a ts t r a i nl o c a l i z a t i o ni nt h ef o r mo fi n t e n s es h e a rb a n d s i n i t i a t e da tg e o m e t r i c a ls t r e s sc o n c e n t r a t i o ns i t e si nt h ea l ld y n a m i cc o m p r e s s i o n s a m p l e s + t w oo f t h em a j o rc o n c l u s i o n sc a l lb ed r a w nf r o mt h i si n v e s t i g a t i o n ，f i r s t ， d y n a m i c d e f o r m a t i o na n df a i l u r em o d e sa r e s i g n i f i c a n t l yd e p e n d e n t o nt h e g e o m e t r y o f s p e c i m e n sg e n e r a t i n gc o n t r o l l e ds t r e s ss t a t e ，a n ds e c o m ，l o c a l i z a t i o n i s ap r o p a g a t i o np h e n o m e n o n ，s t a r t i n ga tg e o m e t r i c a l ( s t r e s sc o n c e n t r a t i o n ) s i t e sa n d p r o p a g a t i n g a sas h e a rd e f o r m a t i o nb a n d ( 4 ) w h e nt h em a i nf o r mi nt h ex 7 0p i p e l i n es t e e lq u e n c h i n ga t1 0 8 0 9 ci sm a r t e n s i t e ， x 7 0 p i p e l i n es t e e ld i s p l a y san e g a t i v es t r a i n r a t ee f f e c t t h ef a c t o r s ，w h i c hm a y g i v ei n f l u e n c eo nn e g a t i v es t r a i n - r a t ee f f e c t ，a r ee s p e c i a l l yd i s c u s s e di n c l u d i n g t h e w e a k e n i n gb ya d i a b a t i ch e a t i n ga n di n t e r n a ld a m a g er a t e - d e p e n d e n t e v o l u t i o n u n d e rt h ed e f o r m a t i o nc o n d i t i o no ft h es t r a i n r a t ea sh i g ha s2 5 0 0 s 一，l o c a l i z e d s h e a rd e f o r m a t i o nb a n da n dv o i d s 协a n da r o u n dt h eb a n da p p e a ri nx 7 0p i p e l i n e s t e e lq u e n c h e di nw a t e ra f t e rh e a tt r e a t m e n t ，a n dt h eh a r d n e s so fs h e a rd e f o r m a t i o n b a n dw a s o b v i o u s l y i n c m a s e d k e y w o r d s ：s t r a i nr a t e ，s t r e s s s t r a i nb e h a v i o r ，m i c r o s t r u c t u r e ，n e g a t i v es t r a i n - r a t ee f f e c t ， s h e a rd e f o r m a t i o nb a n d - - i i t - 声明 本文声明鼹墨交的学位论文是在导师指导下完成的。论文中取缮的 硬究成果除趣以标注和致谢的地方外，不惫含其德人已经发表或撰写 过酶磺究成果，毽不包括本人获褥其毯学位露使籍过静材料。与我一 溺王作酶阋志对本磅究所幸誊的任俺贡献均毫在论文中终了臻镶匏说明 并表示谢豢。 本人签名：脚 日 期；矽踢罕摩日2 石自 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 现代工业中，工程构件的服役条件日趋复杂( 受力状态、温度以及介质等) ， 传统的力学性能判据已不足以正确反映工程构件的服役特性，致使世界范围内出 现过多起严重的断裂事故，如舰船、压力容器、输油管线等的破裂与断裂。另外， 机械加工、爆炸成形、压力加工、裂纹传播等涉及冲击载荷作用的高速变形问题， 也迫切需要对材料的动态力学行为进行研究。然而，在动态载荷作用下，即当惯 性效应不能被忽略时，问题变得十分复杂。至今，无论是理论分析还是实验研究 工作都是很不够的。因此，材料在动载下的变形、断裂、裂纹扩展等特性及其机 理的深入研究已成为当前固体力学和材料科学研究中的前沿课题【l 】。 长期以来，人们对输油气管道用钢的化学成分，尤其是c 、s 、p 等元素含量 的控制付出了巨大努力，取得了显著成效。此外，对管线用钢的控轧控冷热加工 工艺、焊接工艺及其性能的研究也较为广泛【2 7 】，但对其高应变率下的力学行为乃 至断裂特性及机理的研究则少见报导。与此同时，随着镁合金发展的强劲势头， 人们对高强、耐热、超轻镁合金的研究给予了极大关注 8 - 1 7 ，对不同系列镁合金的 常规力学性能( 如强度、延伸率等) 、高温性能( 如高温强度、蠕变速率等) 、 超塑性及其腐蚀与防护性能等以及相应的微观机理方面进行了大量的研究工作， 但涉及动载荷( 尤其是高应变率) 下镁合金力学性能及其变形行为的研究则报道 不多。因此，在国家9 7 3 项目“材料的环境行为与失效机理”和8 6 3 项目“高强 高韧镁合金及其应用技术开发”的支持下，本文主要探讨高应变率下管线钢和镁 合金在高应变率下的变形行为，从宏观、细观及微观等不同层次上进行了较为深 入的研究。 1 2 材料性能评价中的加载速率 动载荷和静载荷的主要不同在于加载速率的差异。众所周知，应变占作为一个 无量纲量是材料受力后变形程度的度量，而应变率j ( 单位为s 。1 ) 则是变形快慢 一1 一 东北大学硕士学位论文 苎二兰竺堡 人们通常采用应变率这的度量，并且应变率增加反映着加载速率的增加。因此 一参数对测试材料性能的加载状态进行划分【1 8 1 ： ( 1 ) 当0 低于1 0 5 s 。时，属于静态加载范围； ( 2 ) 当0 介t - i o 。s 。和1 0 _ 3 s 。1 时，属于准静态加载范围，应变率效应可略去不计； ( 3 ) 当0 高于1 0 。s 。时，已经进入材料的应变率敏感区域，一般应变率不能忽略 此时所研究的问题称为动态问题。 1 3 h o p k i n s o n 压杆冲击实验 由于c h a r p y 冲击实验方法的不足和限制，发展了新的动态实验加载技术f 1 9 1 。 与众多的加载技术相比较，分离式h o p k i n s o n 压杆( s p l i th o p k i n s o n p r e s s u r eb a r ) 技术具有其独特的优点，因此，在动态断裂研究的加载方式中，s h p b 加载技术是 较为理想的。该加载技术现己广泛应用于高应变率下材料本构关系及动态性能参 数的测定。它起源于6 0 年代，自8 0 年代初，开始应用于研究裂纹体的动态断 裂问题。其基本原理如图1 1 所示，由压缩空气枪将一圆柱形子弹以一定速度发射， 撞击输入杆，在输入杆上产生压缩应力波，并沿输入杆向试样方向传播，当它传 播到输入杆与试样的界面时，一部分传播给试样，对试样施加冲击载荷，另一部 分返回输入杆形成反射波。由输入杆上贴的应变片，可以完整的记录入射波与反 射波，并由一维应力波理论，确定旆加给试样的载荷及加载点位移随时间的变化 情况【2 1 1 。 试样 支持块 子弹输入杆 li 口 ： 透射杆 图1 1h o p k i n s o n 压杆加载原理图 f i g ，1 1e x p e r i m e n t a ls c h e m a t i co f h o p k i n s o np r e s s u r eb a r 需要指出的是：h o p k i n s o n 压杆测试技术应用至今，经过许多研究者的改进和 完善，现已应用于压缩、拉伸、直接剪切和扭转等多种方式加载中，而且还被一 些学者用于扭转和压缩同时发生的实验以及动态轴向压缩和静态径向围压联合作 东北大学硕士学位论文第一章绪论 用的情况。目前，该技术的应用特点和发展趋势可总结为如下几点2 2 。2 5 ： ( 1 ) 应变率不断提高 随着实际工程结构中高应变率( 1 0 4 1 0 “s1 ) 载荷的不断出现，传统的s h p b 技术已不能满足需要。为了开展更高应变率下材料动态力学性能的实验研究，一 些科学工作者做了不懈的努力，使s h p b 技术的应变率达到了1 0 。s1 量级。 ( 2 ) 扭转的s h p b 装置受到重视 采取轴向加载的s h p b 装置，当压缩纵波或拉伸纵波在杆中传播时，由于横 向惯性所带来的弥散效应及试样与压杆接触面处的摩擦效应等，有时会严重影响 实验精度。为了克服这些困难，发展了扭转的s h p b 装置。扭转s h p b 装置的突 出优点是不存在横向惯性效应和端部摩擦效应，因而近些年来这种装置获得了迅 速发展。 ( 3 ) 研究应变率历史效应的工作越来越活跃 为了深入研究材料的动态力学性能，以建立各种材料的本构关系，除考虑应 变率的影响外，还必须研究应变率历史的影响。为此，发展了能进行应变率增量 实验( 或称跳跃试验) 的改进的s h p b 装置。这方面已取得了相当多的实验资料。 结果表明，除钢、钛等少数金属材料外，绝大多数金属都具有应变率历史效应。 ( 4 ) 开发研究复合加载的s h p b 装置 为了更好地模拟实际工程中材料的受力状态，基于静态实验中薄壁圆筒的压 扭复合实验，开发研制出了压扭复合的s h p b 装置，为复杂应力状态下材料动态 性能的研究创造了条件。 ( 5 ) 不断开拓新的用途 s h p b 技术发展到今天，除了用于研究材料在商应变率下的本构关系，包括前 述的应变率增量实验外，还不断开拓了新的用途，主要有以下几方面：( a ) 材料 的高速变形行为研究；( b ) 复合加载条件下的应变率效应研究； ( c ) 材料动态 断裂力学研究。另外，涉及的材料领域也愈加广泛，如金属材料、复合材料、陶 瓷及高分子材料等。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 高应变率下材料的应力应变行为 材料的动态力学行为研究涉及到许多与静态不同的现象及物理化学效应，高 应变率加载条件下材料的应力一应变响应特性是动态力学行为研究的中心问题之 一。 一些研究表明，动态加载条件下材料的应力应变响应特征因材质或显微组织 不同差异很大。大多数金属与合金的流变应力随应变速率增加而增加，如软钢、 铝、钛等。b t a z y n s k i 2 6 采用扭转加载方式的h o p k i n s o n 压杆获得了在1 0 一一1 0 3 。s1 应 变率范围内的工业纯铝的动态应力应变曲线，见图1 2 。c h i e h i l i 等人眵7 1 研究了 t i 在1 1 6 l o 一6 1 0 3 s 1 应变率范围内的真应力应变曲线，见图1 _ 3 。低碳管 线钢应力应变行为的应变率依赖性的研究结果表明2 引，退火处理后，不同强度等 级的管线钢的应力应变行为均表现出了应变率强化效应，但它们的屈服特性有所 不同，x 5 2 管线钢具有明显的屈服点，而x 7 0 管线钢和x 8 0 管线钢则没有。刘瑞 图12 工业纯铝的o - 一s 曲线 f i g 1 2 t h e 口一f c u l v eo f t h e p u r ea l u m i n i u m 日宴 o扫-8鼻 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 皇 i 尝 ： 一 图1 3a t i 的仃一占曲线 f i g 1 3 t h e 仃一占c l u v eo f t h ec t - t i 堂等) 、p 9 j 在研究船用9 0 7 a 钢的动态应力应变行为时，得到了与x 7 0 管线钢和x 8 0 管线钢相似的结果，船用9 0 7 a 钢的动态应力应变睦线也没有明确的屈服点，但 应变强化效应较强；而文献【3 0 】利用h o p k i n s o n 扭杆对h y l 0 0 高强钢的研究表明， 在应变率达1 0 3 s “条件下，h y l 0 0 钢仍具有明显的屈服点，且应变强化效应也很强。 段祝平等人【3 l 】采用中1 4 8 8 m m 圆柱试样在h o p k i n s o n 压杆上测定了2 5 c r m n s i 中 高强度合金钢的动态应力一应变曲线，表明应变率在1 0 2 1 0 3 。s1 之内，动态应力一应 变曲线比静态提高1 2 左右，而且动态应力应变曲线显示出明显的滞后屈服效应。 综上所述，在动载条件下，不同材料的应力应变行为具有不同的特点，而且 影响因素十分复杂( 材料的成分、组织、变形条件等) ，彻底弄清材料的动态应 力应变行为的变化规律及其微观机制尚需开展大量的深入的研究工作。 1 5 高应变率下材料的应变率效应 关于高应变率下材料动态力学行为的研究，从1 8 7 2 年著名的h o p k i n s o n 实验 开始，材料在高应变率下的正应变率效应和应变率负敏感现象已广为人知，并受 许多研究者的广为关注。根据这一现象，许多研究者从高应变率下的绝热温升所 致热软化、内部损伤、动态再结晶、绝热剪切以及应力诱发马氏体相变等方面进 行了探讨。 东藏走擎磺垂擎位论文第一章绪论 1 5 1 高应变率下材料的溅向应变率效应和反向黩变率效应 显然关于材料的正向应交率效应，从图1 3 可以看出这两种材料的强度均随应 交率豹增掬商提离，表溪密正应交率敏感骰。这与胡时麓1 3 2 1 采用h o p k i n s o n 压耔 对钛合金、工业纯铝及键合金进行冲击压缀实验褥到的结果是致的。 巩水刹等m 】还利用h o p k i n s o n 压杆对1 6 m n r 钢焊接接头动态力学的应变率效 应避行了研究。结果表明，与静态或准静态加载条件不同，在动态加载时，焊接 接头耱应力一应交馥线程洋挂敬呈 线性关系，显陡应交率灌鸯羹，流动应力存在滞 后现象，但仍具有明显的应变搴强化效应，屈服点也较明显。杨平等人f 3 4 1 采用热 模拟单向聪缩方法研究了q 2 3 5 碳钢成变诱导相交中的威力应变行为，发现在9 0 0 糯煞条件下，警应变率低予5 s t 辩，由予葵氏体豹动态褥结晶，蔽斑交增大，应 力明显降低；当应变率燕子5 s ，时，出于铁綮体析出抑制奥氏体动态再结晶霹使应 力下降缓慢，但成力应变曲线仍具有应变率强化效应，当加热副9 0 0 。c ，随后冷 至8 0 0 。c 避程中，由于爽氏体逐渐潜炎和疲变增鸯鞋铁素体形棱静缘故，铁素俸软化 终搦大于奥氏体澎变硬化终用，使或力应交蛙线隧应变攀增热褥霄魇下降，即出 现了负应变率效应。 宋顺成【3 5 1 等选择了3 0 1 、3 0 2 不锈钢材料实验研究了奥氏体不锈钢在不同应 交率、不同环境滋度下静渖击力学藿鍪徒及冲击诱发马氐体相交，瓣试了这两释毒孝 料受滓击露力学性能的变化。3 0 1 和3 0 4 不锈钢在较低应变率范围内有明显的应变 率效应，同静态变形相比屈服强度可提高两倍以上。但拄应变率较高情况下，随 应黛率提离应变举效应没有鞠显静交纯，遮主要楚应变率效应与蒸效瘟平衡豹结 果。 t s l 立t 3 6 j 等利用h o p k i n s o n ，对航空铸镁合金在高应变率下的损伤变形宏观与 微观稆结合得实验结果，提出了一个基于损伤弱优静反离应交率效应税翎，并建 议了一令谤及这反囱效应鲍热糙塑性本槐方程。盎此爵以髂释材料豹表觋应变 率强化，表现应变率无篾和表现应变率弱化三类慕本情况。相应地，随损伤引起 的反向应变率效成的增加，熟秸塑佼失稳嘏有三种基本情况；或在奇应交或更大 应变下发生缝热劈切，藏由冁器痤交率应变准则转德为蠛界应变准则，以及或在 高_ 陂变率下不会发生绝热剪切。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 董新龙【3 7 】等对两种铁锰铸造合金在准静态和冲击动态下进行了宏观和微观相 结合的实验研究。他得到在准静态下，铁锰铝硅合金的强度高于铁锰铝合金，但 在高应变率动态加载下，铁锰铝合金的强度反而高于铁锰铝硅合金。铁锰铝合金 表现出很强的应变率强化效应( 正向应变率效应) ，而铁锰铝硅合金表现出应变 率无关或应变率弱化效应( 反向应变率效应) 。随着应变率的进一步提高，两者 又都存在一定程度的应变率弱化倾向。 1 5 2 高应变率下材料的塑- 陛和应变率的关系 此外，一些学者还对材料的塑性和应变率的关系进行了研究。c l a r k 3 8 1 用铝、 钢等材料实验时，发现塑性和应交率的关系有三种形式，一种是随应变率的增大 而减小，一种是随应变率的增大先增大后减小，存在极大值点，另一种是对应变 率不敏感。显然，高速加载会导致材料变脆的观点并不全面。饶世国【3 9 】采用铝基 碳纤维增强树脂进行了拉伸实验，发现在占= 1 3 i 0 。4 s 。的静态拉伸条件下，该材 料塑性很差，延伸率仅为0 0 6 ，表现为明显的脆性断裂特征；但在应变率提高至 8 1 0 2s 。1 时却表现出良好的塑性，延伸率增大到2 8 ，断裂方式变为韧性断裂。 可见，随应变率提高，该材料有明显的脆一韧转化现象。唐长国1 采用动态拉伸实 验法对3 0 c r m n s i n i 2 a 、t i l 0 v 2 f e 3 a 1 、1 c r l 8 n i 9 t i 三种材料的塑性应变率效应进 行了研究。结果表明，在3 3 3 1 0 _ 4s 。一1 6 1 0 3 s 。1 应变率范围内，除1 c r l 8 n i 9 t i 的延伸率随应变率的增大略有起伏之外，3 0 c r m n s i n i 2 a 和t i l 0 v 2 f e 3 a i 的延伸 率均有增大，尤以3 0 c r m n s i n i 2 a 增大较多( 7 一1 4 5 ) ，其主要机制在于高应 变率下材料产生的温升效应和孪生与相变所致。此外，金属间化合物f e a l 合金在 拉伸时也产生了一定的高应变率增塑现象( 4 ”。 1 5 3 高应变率下材料的剪切破坏特性 z e n e r 和h o l | o m o n t 4 2 1 1 9 4 4 年首先在0 2 5 c 低合金钢的落锤冲孔过中观察到白 色亮带。这是人类对动态变形下材料微观结构响应的首次探索。白色亮带的硬度 很高所以它的显微组织被认为是马氏体。冲孑l 实验中的变形时间短，热量来不及 扩散，所以其过程可以认为更接近于绝热过程，在这种情况下所产生的温度足以 超过相变点，他们用绝热剪切的概念描述了这种白色亮带的形成。 剪切局域化现象最初的机制模型是r e c h t 所提出的形变硬化和热软化平衡模 ， 东北大学硕士学位论文第一章绪论 型【4 3 j 。因为在发生剪切局域化现象时，大约9 0 的塑性变形功都转变成了热量； 大多数金属的流变应力都对温度相当敏感，并随着温度的升高而下降】。在形成 剪切带时，由于剪切带内的强烈变形而使带内材料进一步强化，但与此同时，由 于剪切带材料变形大而快，使因变形生成的热量来不及传导到周围材料中去，积 累的变形热使带内材料温度大大升高，使材料软化，强度降低；当材料因温升而 导致强度的降低程度超过了因材料变形硬化而提高的强度时，就会发生剪切带材 料的突然失稳，这既是热塑失稳过程，也称绝热剪切过程。有关剪切带本身的形 成过程、组织特征，内部缺陷以及晶界性质等包含了很多物理、化学、冶金和组 织转变等的本质性问题，目前关于剪切带的产生与材料的微观不均匀性、材料强 化模式，如材料内部的晶界、缺陷、第二相粒子、位错运动等与材料变形息息相 关的因素相结合，而这是宏观的连续介质力学所无法克服的，所以剪切带显微组 织的研究不是单纯局限在这一现象的本身，而是个具有多方面意义的问题。因 此有关剪切带本质研究的意义是不言而喻的。 1 6 本文的研究工作 结合课题组的研究任务，针对材料动态性能研究中存在的一些问题，为比较 高应变率下不同组织状态之间不同的应力应变行为，同时从实用价值角度出发， 考虑到高应变率下输油管线钢焊接热影响区的力学性能，我们将部分x 7 0 管线钢 做了热处理。我们自己炼制的a z 9 1 镁合金包括铸造、固溶和时效三种状态。根据 以上内容，本文拟进行以下几方面的工作： f 1 ) 利用新安装的h o p k i n s o n 压杆实验装置，研究不同组织状态下x 7 0 管线钢和 a z 9 1 镁合金在不同应变率条件下的应力应变行为； ( 2 1 研究不同组织状态下x 7 0 管线钢和a z 9 1 镁合金应力- 应变曲线随应变率变化 的规律及其微观机制。 东北大学硕士学位论文 第二章h o p k i n s o n 压杆实验原理 第二章h o p k i n s o n 压杆实验原理 2 1 引言 现代工程及军事工业用钢的载荷特点是高温、高压、高应变率，而且机械加 工、爆炸成形、压力加工、裂纹传播等涉及冲击载荷作用下的高速变形问题，也 迫切需要对材料的动态力学性能进行研究。因此，高应变率下材料动态力学性能 的研究愈来愈受到人们的重视。实验研究无疑是这方面研究最直接、最有效的方 法，但材料动态力学性能的测试远比静态力学中的复杂。在材料动态力学性能的 测试中必须解决以下两个问题：必须解决比一般动态测量中频响更高的、微秒 量级、甚至纳秒量级动态力学量的测试技术；必须计及实验装置和试样的惯性， 即应力波传播效应。 目前，在高加载速率实验中，分离式h o p k i n s o n 杆( s h p b ) 技术获得了广泛 的应用。通过对s h p b 动态实验技术的综合分析，发现它除了具有结构简单、操 作方便等优点外，还具有以下优点： ( 1 ) 测量方法十分巧妙。通常，在冲击载荷条件下测定材料的应力应变关系， 需要在试样同一位置上同时测量随时间变化的应力和应变，这不是一件容易的事。 而s h p b 技术避开了这一雉题，通过测量两根压枰生的应变便可推导确定材料的 应力- 成交关系，因此是一种间接的、但又十分巧妙丽简单的方法。 ， 1 。 ( 2 ) 应变率范围令人关注。s h p b 实验技术所涉爱豹糜纛率范围( t 0 2 1 0 5s 。1 ) 恰好包括了流动应力睫瘟变率变化发生转折的应交率。对等垒属材料，发生转折 的应变率约为1 0 2 1 0 4 s ，对于高聚物材料，发生转折的应变率约为1 0 2 1 0 ”s1 。 利用这一特性，原则上可根据准静态实验和s h p b 实验结果推算出中应变率范围 的应力应变关系。从这个意义上讲，s h p b 实验可替代中应变率实验。 ( 3 ) 加载波形易测量控制。在冲击加载条件下，载荷性质不同于准静态，主要 表现为载荷的不确定性。作用于物体的冲击载荷不仅取决于加载方式，还取决于 受载物体本身的力学性能和几何形状。s h p b 实验技术较好地解决了这一问题，在 s h p b 装置上，利用输入杆可直接测得入射脉冲占，和反射脉冲占，两者之差即可表 东北大学硕士学位论文 第二章h o p k i n s o n 压杆实验原理 达作用于试件( 板、杆、壳等) 上的冲击载荷；此外，改变子弹的撞击速度及形 状，还可调节入射脉冲波形，从而调节作用于试件上的波形，这一优点虽不为人 们注意，但人们已经利用这一优点在h o l p k i n s o n 杆上开展了动态断裂的研究u 8 t ”j 。 除以上优点外，s h p b 实验技术也存在缺点：( 1 ) 弥散效应所导致的波形振荡 影响着数据的处理和结果的分析；( 2 ) 摩擦效应改变了试件的均匀状态。但是，只 要在设计和数据采集与处理过程中采取一定的措旌，就可以将弥散效应和摩擦效 应的影响降低到很小的程度，从而满足不同目的的要求。 本文新安装、调试了一套s h p b 实验装置，并对该装置进行了改进和完善， 使其不但能够进行材料的动态变形行为研究( 如动态应力应变特性、动态本构关 系、动态强度、动态塑性等) ，还能进行材料的动态断裂行为研究( 如动态断裂 韧性、裂纹扩展速度、止裂韧性等) ，进一步开发了该装置的功能。 2 2h o p k i n s o n 压杆测试系统及其工作原理 2 2 1h o p k i n s o n 压杆测试系统的安装与调试 图2 1s h p b 实验装置加载与数措采集系统 f i g 2 1 l o a d i n ga n dd a t ac o l l e c t i n gs y s t e mo f s h p be x p e r i m e n t a la p p a r a t u s s h p b 实验装置的全貌见图2 1 所示。该装置可以划分为加载系统、测试系统 和定位基座三大组成部分。 ( 1 ) 加载系统 加载系统由气瓶、压气枪、子弹、输入杆、输出杆、吸收杆和能量捕收器及 耋些大学硕士学位论文第二章h o p k i n s o n 压杆实验原理 相应的定位支架、减压器、导气管和开关等辅助仪器构成。其中，除能量捕收器 是自己设计制造外，其它构件和仪器是从中科院力学研究所购置的。气瓶中的压 缩气体为整个加载系统提供动力。 ( 2 ) 测试系统 测试系统可分为子弹速度测试装置和应力波信号采集、记录装置二部分。子 弹速度测试装置是由两个光电二极管和光电转换型计时仪组成；应变片、动态应 变仪、动态测试分析仪及连接导线组成应力波信号采集、记录装置。其中，光电 转换型计时仪和动态应变仪也是从中科院力学研究所购嚣的，而动态测试分析仪 是从成都泰斯特电子有限公司购置的。 ( 3 ) 定位基座 上述h o p k i n s o n 压杆加载系统的定位基座是自行设计的。为了保证髂个实验系 统的刚度，定位基座上、下采用二块普通低碳钢钢板( 板厚 l o m m ) ，中间采用 五个粗钢管( 直径为1 6 0 m m ) 并加筋板制成焊接结构，基座底钢板上加工了均匀 分布的1 2 个定位孔( 巾1 6 m m ) ，采用膨胀螺栓与地面定位；基座面钢板上也加 工有1 2 个定位孔，与其上的定位钢板( 板厚为3 5 r a m ) 采用螺栓连接。最后，再 将h o p k i n s o n 压杆装置的压气枪、光电二极管、波导杆和捕收器等由相应的定位支 架采用螺栓固定在定位钢板上。 2 2 2s h p b 实验装置的工作原理 图2 2 为s h p b 实验装置示意图。该装置的核心部分是两段分离的弹性波导杆， 即输入杆和输出杆，试样夹在两杆之间。加载脉冲由子弹撞击输入杆的端部产生。 撞击杆( 子弹) 在压气枪中由高压气体的推动作用被加速到一定的撞击速度，以 此速度撞击输入杆的端部，产生一个持续时间取决于撞击杆长度的入射弹性压力 脉冲。当初始的压力脉冲经撞击杆的自由端反射成一个拉力脉冲并回到撞击面时， 撞击杆就对输入杆卸载了，因而在输入杆中将产生波长为撞击杆长度两倍的入射 应力波。 当输入杆中的入射应力波到达试样时，一部分被界面反射回输入杆形成反射 应力波，另一部分则穿过试样到达输出杆形成透射应力波，透射应力波再由吸收 杆“捕获”，最后由能量捕收器吸收。 东北大学硕士学位论文 第二章h o p k i n s o n 压杆实验原理 暑兰美毒筹一黼e j f 要鼍；手三王j 一埘 j竺兰i。【。，。j 图2 2s h p b 实验装置示意图 f i g 2 2e x p e r i m e n t a la p p a r a m so f s h p b 利用粘贴在输入杆和输出杆上的电阻应变片，能够记录下三个应力脉冲( 入 射、反射、透射) 的连续应变时间曲线，再由一维应力波理论确定试样两端面的 动载荷和位移。 ( a ) 第一通道记录的入射波f ，与反射波f ， ( b )第二通道记录的透射波r t 图2 3动态示波器记录的波形图 f i g 2 3t h e s t r a i nw a v e sr e c o r d e db yd y n a m i co s c i l l o g r a p h 东北大学硕士学位论文第二章h o p k i n s o n 压杆实验原理 h o p k i n s o n 压杆冲击实验的原理采用圆柱压缩试样，将贴有应变片的输入杆和 输出杆对准试样，当压气枪发射出的圆柱形子弹撞击输入杆时，在杆内将产生一 应力波，在该应力波作用下，试样产生变形，并对输入杆产生一反射波，对输出杆 产生一透射波。子弹飞行速度通过计时器测试，输入杆和输出杼上的应变波信号 由动态应变仪和动态测试分析仪记录、存贮。由实测的压杆中的反射应力波s ，及 透射应力波，根据一维应力波理论，可求得试样所受的应力和产生的应变为： 盯= 毛导占， ( 2 1 ) 一争胁r ( 2 2 ) t如。 、 式中：e 0 、4 分别为压杆的弹性模量和截面积；a 、l 分别为试样的截面积和长 度；c o 为弹性波速，取5 0 5 0 m s ：、分别为反射波和透射波。 需要指出：在入射应力脉冲通过试样的过程中，会在试样中发生多次波的反 射，由于加载应力波的作用时间比短试样中应力波的传播时间要长得多，这些内 反射将使试样中的应力很快地趋向均匀化。因此，当试样的长度与脉冲宽度相比 足够短时，可以忽略试样内部波的传播效应。但试样不能过短，否则将因摩擦效 应产生误差。 此外，h o p k i n s o n 压杆装置的工作原理建立在以下的基本假设条件下： ( 1