（材料加工工程专业论文）纯钛动态压缩及强迫剪切变形行为的研究.pdf

原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材 料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了 明确的说明。 作者签名： 日期：兰! 年三月旦日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：鸽币签名：陧往嘲一年上月啦日 中南大学硕士学位论文摘要 摘要 本文以工业纯钛t a 2 板材为研究对象，对经过8 0 轧制后的板材进行完全 再结晶退火处理后，沿板材轧向0 0 ( i m 0 0 ) 、4 5 0 ( r d 4 5 0 ) 、9 0 0 ( i m 9 0 0 ) 方向选取柱形及帽型试样，利用i n s t r o n 电子拉伸机进行准静态压缩实验，在 分离式霍普金森压杆实验装置上进行动态压缩和强迫剪切实验，结合金相显微镜 ( o m ) 、电子背散射衍射( e b s d ) 、透射电镜( t e m ) 等检测分析手段，研 究了纯钛动态变形行为、微观组织演化及其各向异性。实验结果表明： 纯钛在强迫剪切变形过程中，剪切带内的变形的主要机制是棱柱面滑移和棱 锥面滑移，而剪切带附近变形影响区域的主要的变形机制是棱柱面滑移和孪生， 其中孪晶以 1 2 1 0 拉伸孪晶为主。利用旋转动态再结晶( r d r ) 机制可以较好解释 了实验中剪切带内等轴细晶的形成；热力学计算及剪切带内部电子衍射花样的结 果均显示实验中剪切带内并未发生a d 相变。 退火纯钛板不同方向上的力学性能表现出明显的各向异性：准静态压缩时， r d 9 0 0 方向屈服强度最大，r d 4 5 0 方向次之，r d 0 0 方向屈服强度最小；流变应 力在低应变阶段表现出相同规律；动态压缩及强迫剪切时，屈服强度及流变应力 呈现出与准静态压缩时一致的规律。利用晶体塑性变形理论，结合晶体取向分析， 定性解释了纯钛压缩力学性能的各向异性。 不同方向上试样的微观组织形貌也呈现差异，r d 0 。方向的剪切带较窄， r d 4 5 0 方向较宽，r d 9 0 0 方向最宽；且r d 9 0 0 方向晶粒变形程度以及孪生现象 均比其他两个方向更加的剧烈。显微硬度从剪切带中心向基体呈现递减的趋势。 同时在剪切带两侧，孪晶密度存在差异，密度大的区域硬度较高，密度低的区域 硬度较低，且不同方向的变形影响区域显微硬度也呈现出明差异。 感谢粉末冶金研究院国家重点实验室开放基金项目( 2 0 0 8 11 2 0 4 7 ) 的资助。 关键词：t a 2 ；绝热剪切带；动态力学性能；织构；各向异性 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t i n d u s t r i a lp u r et i t a n i u m ( n 墟) h a sb e e ni n v e s t i g a t e di nt h ep a p e r c y l i n d r i c a l a n dh a t - s h a p es p e c i m e n sc u tw i mt h ec y l i n d e ra x e sa l o n gt h ea n n e a l e dp u r et i t a n i u m s h e e t s0 0t ot h ed i r e c t i o no f r o l l i n gd i r e c t i o n ( r d - 0 0 ) ，4 5 0t ot h ed i r e c t i o no fr o l l i n g d i r e c t i o nf e d - 4 5 0 ) a n d9 0 0t ot h ed i r e c t i o no fr o l l i n gd i r e c t i o n ( r d - 9 0 0 ) t h e q u a s i - s t a t i c a n dd y n a m i cc o m p r e s s i v em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fa n n e a l e dp u r e t i t a n i u ms h e e t sw e r ei n v e s t i g a t e db ym e a n so fi n s t r o na p p a r a t u sa n ds p l i th o p k i n s o n p r e s s u r eb a rt e c h n o l o g y t h ed e f o r m a t i o nb e h a v i o r ，m i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o na n di t s a n i s o t r o p yw e r es t u d i e du s i n go p t i c a lm i c r o s c o p e ( o m ) ，t r a n s m i s s i o ne l e c t r o n i c m i c r o s c o p e ( t e m ) a n de l e c t r o nb a c k s c a t t e rd i f f r a c t i o n ( e b s d ) t h er e s u l t ss h o w ： i ti sag r e a t e ri m p a c tf o rt h em e c h a n i c a lb e h a v i o ro f p u r et i t a n i u mi nh i 曲s t r a i n r a t ed e f o r m a t i o nt oi n i t i a lt e x t u r ea n dt w i n w h e nf o r c e ds h e a rd e f o r m a t i o n ， c o m m e r c i a l l yp u r et i t a n i u msm a i nd e f o r m a t i o nm e c h a n i s mi st h ep r i s m a t i cs l i pa n d p y r a m i d a ls l i pi nt h es h e a rb a n dr e g i o n ，a n dt h em a i nd e f o r m a t i o nm e c h a n i s mi st h e p r i s m a t i cs l i p a n dt w i n n i n go u t t h es h e a rb a n dr e g i o n t h er o t a t i o n a ld y n a m i c r e c r y s t a l l i z a t i o n ( r d r ) m e c h a n i s mc a ne x p l a i nt h ef i n ee q u i a x e dg r a i nf o r m a t i o ni n a s b t h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o n sa n de l e c t r o nd i f f r a c t i o ns p o tc a l i b r a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h ep h a s et r a n s i t i o nd i dn o to c c u ri na s b t h eq u a s i s t a t i ca n dd y n a m i c a l c o m p r e s s i v em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s s h o w a n i s o t r o p y ：b o t ht h ey i e l ds t r e n g t ha n df l o ws t r e s sf o rt h er d 9 0 0d i r e c t i o ns a m p l ea r e t h em a x i m u ma tl o ws t r a i nd e g r e e ，w h i l et h o s ef o rt h er d - 0 0d i r e c t i o na r et h e m i n i m u mi n q u a s i s t a t i cd e f o r m a t i o n t h ed y n a m i ca n dd y n a m i cf o r c e d - s h e a r b e h a v i o rh a v es a m er u l e t a k i n gi n t oa c c o u n to fc r y s t a lo r i e n t a t i o nd i s t r i b u t i o no f p o l y c r y s t a l l i n ep u r et i t a n i u ms h e e t ，t h em e c h a n i c a la n i s o t r o p yo ft i t a n i u ms h e e t s c o u l db ee x p l a i n e dq u a l i t a t i v e l yb a s e do nt h em i c r o s c o p i cc r y s t a lp l a s t i c i t yt h e o r y d i f f e r e n td i r e c t i o n so nt h em i c r o s t r u c t u r ep r e s e n t sd i f f e r e n t ：t h ew i d t ho fb a n d f o rt h er d - 9 0 0d i r e c t i o ni sm o s tw i d e ，w h i l et h a tf o rt h er d - 0 0d i r e c t i o ni st h e m i n i m u m ；g r a i nd e f o r m m i o nd e g r e ea n dt w i np h e n o m e n o nf o rt h er d - 9 0 0d i r e c t i o na r em o r e v i o l e n tt h a nt h eo t h e rt w od i r e c t i o n m i c r o h a r d n e s sf r o ms h e a rz o n ec e n t e ro u t w a r ds h o w 1 1 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e c r e a s i n gt r e n d ，i nt h es h e a rz o n ea r e a ，t w i nd e n s i t yh a sg r e a te f f e c to nh a r d n e s s ，t h e g r a i n sa w a yf r o mt h ed e f o r m i n ga r e as i m i l a rt oo r i g i n a ls t a t e d i f f e r e n td i r e c t i o n so n t h em i c r o h a r d n e s ss h o w e do b v i o u sd i f f e r e m t h ea u t h o rw o u l dl i k et ot h a n kt h ep o w d e rm e t a l l u r g yi n s t i t u t en a t i o n a lk e yl a b o r a t o r y ( n 0 2 0 0 8112 0 4 7 ) f o rt h ef i n a n c i a ls u p p o r t k e yw o r d s ：t a 2 ；a d i a b a t i cs h e a rb a n d ；d y n a m i cm e c h a n i c a lp r o p e r t y ；t e x t u r e ； a n i s o t r o p y i i i 中南大学硕士学位论文 目录 目录 摘要。i a b s t r a c t i i 第一章文献综述l 引言。1 1 1 材料动态力学行为1 1 1 1 动态力学行为特征1 1 1 2 纯钛动态行为研究与发展2 1 1 3 纯钛的动态本构模型4 1 2 绝热剪切局域化的研究5 1 2 1 绝热剪切现象5 1 2 2 材料失稳形成绝热剪切的研究6 1 2 3 绝热剪切动态再结晶的研究现状7 1 2 4 计算机数值模拟技术在a s b 的应用8 1 3 实验技术介绍9 1 - 3 1 研究动态行为的霍普金森压杆技术9 1 3 2 研究晶体取向的电子背散射衍射技术一1 1 1 4 本论文的研究内容及意义1 2 第二章实验。1 4 2 1 实验材料。1 4 2 2 板材轧制1 4 2 3 试样制取1 4 2 4 准静态和动态加载实验1 5 2 5 显微组织与结构观察1 5 2 5 1 金相观察一1 5 2 5 2 透射电镜观察1 6 2 5 3 显微硬度的测定。1 6 2 6 织构测试。1 6 第三章退火纯钛板剪切局域化研究。1 7 3 1 纯钛的初始织构以及原始组织形貌1 7 3 2 退火纯钛板强迫剪切力学性能1 8 3 3 微观组织演化讨论1 9 3 3 1 金相组织观察。1 9 3 3 2s e m 组织观察及e b s d 分析。2 0 3 3 3t e m 组织观察2 2 3 3 4 显微硬度2 4 3 4 绝热温升2 5 3 5 再结晶动力学讨论2 6 3 6 本章小结2 7 第四章退火纯钛板压缩力学性能各向异性。2 8 4 1 织构测试结果2 8 i v 中南大学硕士学位论文 目录 4 2 退火纯钛板压缩力学性能特征规律2 9 4 - 3 退火纯钛板压缩显微组织3 0 4 4 退火纯钛板压缩力学性能各向异性的晶体学讨论3 0 4 5 本章小结3 4 第五章退火纯钛板强迫剪切各向异性3 5 5 1 退火纯钛板强迫剪切应力应变曲线3 5 5 2 退火纯钛板加载后微观组织结构3 6 5 2 1 金相组织观察3 6 5 2 2t e m 观察。3 9 5 2 3 显微硬度4 1 5 3 绝热温升4 1 5 4 各向异性行为讨论4 2 5 5 本章小结4 4 第六章结论4 5 参考文献4 6 致谢5 0 攻读硕士学位期间的主要研究成果51 v 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 引言 第一章文献综述 每个不同的时代，使用材料的水平代表着这个时代的科学技术和生活水平， 石器时代，青铜器时代，铁器时代莫不如此，以材料的名称来诠释一个时代的技 术缩影。新的时代，对于资源，对于环境的追逐达到了一个新的高度，在这个背 景下涌现出了形形色色的材料。就金属材料而言，性能好而且轻便节能的钛，镁 等金属及其合金迎来了一个飞速发展的时期。其中，钛和钛合金具有比强度高、 耐高温、低温性能好且具有优异的耐腐蚀性能等诸多优点，而且钛是地壳中含量 第九的元素，在结构金属中更是排在了第四位，可持续利用的前景广刚。钛及 其合金在航空航天、造船、化工、冶金、医疗等民用领域里得到广泛应用，在军 事上也有了很大的使用空间，如导弹，装甲钢板等。这使得很多学者都将目光持 续的投射在钛及其合金的研究上，期望攫取出更大的利用价值。本文为高应变率 下钛的织构对变形机制，微观结构的影响的基础研究，希望能为钛的动态变形行 为研究提供帮助。 1 1 材料动态力学行为 1 1 1 动态力学行为特征 动态变形主要指的是不能忽略应变率的影响的变形，主要判定标准是应变率 的大小，一般来说，当应变率高于1 0 。3 s 。1 时的变形称之为动态变形 1 1 。材料在动 态变形时呈现出与静态变形及准静态变形不同的力学行为。固体材料在动态加载 作用下，总结来说有如下几个主要的动态力学特性： ( 1 ) 动态加载时屈服强度显著提高 许多材料在高应变速率下，屈服强度明显有所提高，但是屈服的出现有一定 的滞后现象； ( 2 ) 瞬时应力与应变速度成正比关系 相同的应变下，动态变形的流变应力要比静态变形的高，当应变速率 4 a s a t ) = 1 0 。5 s - 1 - 1 0 3 s ，占1 0 。2 时，许多材料都表现出这种特性。瞬时流变 应力以及屈服强度与应变速度成正比的现象，定义为应变率强化效应。应变速率 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 敏感材料指的是应变速率效应显著的材料。材料是否应变速率敏感，主要涉及两 部分的因素：内因，包括材料的本身特性以及内部结构特征；外因，温度，加载 方式以及外部构成等。 在塑性力学研究中中，为了表征材料应变速率敏感性，引入对数应变率敏感 系数旯 3 】，其表达公式如( 1 1 ) 所示： 允：鼻 ( 1 1 ) a l l n 分，j 式中，盯为正应力；夸( f ) 为正应变速率。国内的王礼立等人在八十年代对高应变 率动态力学研究中引入了应变率敏感系数计算，对于钛及其合金的应变率敏感性 进行了相关论述。 ( 3 ) 瞬时应力与温度成反比关系 快速加载和低温都能增大材料的强度，即在相同的应变率下，瞬时应力与温 度成反比。 ( 4 ) 应变率的惯性效应( 历史效应) 在给定的应变速率，材料的应力应变曲线对于同种材料是一定的。如果在 加载实验中，改变了应变速率，其应力应变关系相对应的也发生了改变。这是 由于是受到惯性的影响，呈现不同的应力应变关系，这种力学特性称之为应变率 的历史效应。这说明应变速率舌是一个路径参数。 1 1 2 纯钛动态行为研究与发展 h c p 晶体结构金属及其合金动态力学行为的研究，相对于f c c ，b c c 晶体结 构金属是动态实验研究中的薄弱环节。t i 及其部分合金作为典型的h c p 晶体结 构材料，目前国内外的学者在开展的研究中，通过对于温度，变形方式，变形程 度，变形速率的控制，完成了一系列的工作：早在上世纪7 0 年代，w u l 一】就尝 试了室温下使用分离式h o p k i n s o n 压杆装置研究了压缩动态力学特性；l a w s o n 等人【5 】利用h o p k i n s o n 扭杆和p n e u m a t i c m e c h a n i c a l 扭杆技术，分析了纯钛在剪 切时的动态力学行为，提出了剪切时应变率与强化效应之间的联系；a k h t e r 【6 。7 j 对于钛单晶在不同的温度下的变形机制的深入研究，揭示了不同的滑移机制以及 孪生机制的启动条件以及应力应变关系，并且在此基础上对于位错在塑性变形中 的影响进行了深入的分析，并建立了一个模型很好的描述在变形的几个阶段中棱 柱面滑移的应变强化等力学行为：九十年代以来，s h e i k h a h m a d 等人【8 】在研究纯 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 钛的强迫剪切力学行为中利用j o h n s o n c o o k 模型对其进行了描述；c h i c h i l i 等人 【9 j 在研究纯钛不同温度及应变率下的压缩力学特性时利用分离式h o p k i n s o n 压杆 装置开展加卸载试验，并引入k o c k s m e c k i n g 模型解释其力学行为；n e m a t - n a s s e r 等人【lo 】从位错动运动力学出发，建立了一个新的纯钛本构关系，可以对于纯钛 的温度和应变率相关性的力学行为进行描述，但是在阐述试验中出现的“三段硬 化率”现象时显出不足：因此n e m a t - n a s s e r 与合作者c h e n g 1 1 j 在此基础上就“三 段硬化率”现象进行了更深的研究，提出了改进的本构模型，在描述纯钛不同温 度和应变率下的应力应变关系这个模型体现出了更好的适用性；z h o u 等人【1 2 】 采用数值模拟方法讨论了温度、应力、应变及应变率因素对材料动态变形的影响， 其主要结果如图1 所示； 善 e 崔仃 & 点心 。， 罡 善，酽 毒订 毒 羔协2 毒 3 13 23 33 43 ，53 。83 73 s xc o o r d i n a t ef r a m ) 图1 1 围绕剪切带中心应力、应变、温度、应变率的分布【l 纠 近年来，伴随分析技术的发展，尤其是日趋成熟的e b s d 技术，s a l e m 等人【1 3 。1 4 】 研究了纯钛中形变孪晶的应变强化机制，采用h a l l p e t c h 模型和b a s i n s k i 机制描述 了形变孪晶的强化机理；z e n g - 等f l k 1 5 。1 6 1 研究了应变率和变形温度等变形条件对纯 钛微观组织结构和织构的影响；t a n 等人【1 7 。1 剐对于高纯钛单晶的变形机制以及微 观结构的研究，还对取向与应力应变响应关系进行了细致的讨论；x u 等人【1 9 划1 则对动态变形时的剪切局域化的微观组织衍变做了大量研究。现在纯钛的动态研 究正朝着多手段，复杂条件方向发展，钛及其合金的研究在近年呈现出以下几个 趋势： ( 1 ) 材料动态特性研究中已经有越来越多的人采用宏观和微观相结合的方 法，例如通过电镜研究不同应变率下的断口，观察晶界、晶粒、相变和结合链断 裂等现象。 ( 2 ) 多轴应力动态研究。由于实际问题往往涉及多轴应力，但动态实验的高 心 心 时 蛩 碜 一)i一，j甍tld毫。卜，。薯一量芒ul毒_鼢、ei簟_o瞬 冒塞一髓副苈 船 舯 5 ； 辩 饼 湖 獬 潮 毫i w 孽i 湖 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 难度及复杂性使大量研究工作限于一维应力状态，实验和数值模拟紧密结合，在 对实验结果的检验、二维效应分析和材料动态本构关系的验证上，己经广泛使用 数值模拟方法。 1 1 3 纯钛的动态本构模型 材料的本构关系反映的是材料的流变应力对于温度，应变，应变率等热力学 参数的响应规律。这个规律主要以材料区分，反映的是材料的力学本质特征，所 以称之为本构关系。 j o h n s o n 和c o o k 基于位错动力学基础，提出了适用于高温，高应变率下材 料的大塑性变形的j o h n s o n c o o k 模型【2 2 1 。模型中描述了材料的应变率强化效应， 热软化效应和应变强化效应，认为是温度，应变率，应变三个主要因素决定了流 变应力： 盯：a + b e f ，+ c 。n ； h p ) m 】 c 。2 ， l 占oj 附 如若 m 3 ， 公式中，彳，b ，c ，行，聊可以通过实验测定，z 是环境温度，l 是材料的熔点，占。 是初始应变率。 j o h n s o n c o o k 模型适用于描述纯钛动态塑性变形，而且由于构成形式简单， 参数容易获取，在反映金属材料的主要动态特征上有较好的应用性，因此在动态 行为分析中应用极广，而且很多人致力于在j o h n s o n c o o k 模型的基础上的改良， 以满足一些特殊条件下更加的吻合材料变形的动态特性，或者是做出修改以弥补 j o h n s o n c o o k 模型在体现历史相关效应及耦合效应的不足。如为了体现体心立方 ( b c c ) 和面心立方( f c c ) 金属点阵的差异，z e r i l i 和a r m s t r o n g 由j o h n s o n c o o k 模型导出的z e r i l i a r m s t r o n g 模型【2 3 1 。b a n i m m m 等人【2 4 1 建立了b c f s n l 模型， 适用于表述塑性变形时屈服面的演化规律。其中n e m a t - n a s s e r 等【8 】在大量实验 的基础上，考虑温度( t ) ，应变率( 少) 的影响，建立了一个纯钛的本构方程， 对于描述纯钛塑性变形的唯象关系有很好的吻合性： 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 r ( r ，厂，t ) = f o 1 一 一篑 ，n 妄+ - n q + 口c 丁，厂2 ) ( 1 + 口仃) 7 m ) + f ：厂m m 。2 意 q - 4 ) 口w “ 式中，g 0 为位错在无外力作用下自由扩散越过障碍所需的自由能；f ：是与维数 相关的应力；g t o 是与最初的位错间距相关的量；k 为波尔兹曼常数；b 是柏氏 矢量；五是障碍宽度：其余为实验条件参数，这个模型在描述纯c u ，纯t i ，t a 等金属【g , 2 5 - 2 7 1 的塑性力学行为上都有着很好的表现。在这一领域，不少学者在自 己的实验范围也建立了一些具有一定适用性及优越性的本构模型，在此就不一一 赘述了。 1 2 绝热剪切局域化的研究 1 2 1 绝热剪切现象 绝热剪切是在高应变率加载时材料变形、失效的一种特殊机制，而我们定义 的绝热剪切带( a d i a b a t i cs h e a rb a n d ，a s b ) 则是指材料内剪切高度局域化的狭 窄区域。绝热指的是局域化的近似性绝热，这是由于高速率变形时热扩散速率远 远低于热能产生的速率，只有微量的扩散到了周围的有限区域。剪切带的研究进 入学者们的视野可以追溯到1 9 世纪四五年代t r e s c a 2 8 】第一次观察并正确地分析 了剪切带，但是涌现出大量关于剪切带的研究是从z o n e r 等人【2 9 】的研究开始的。 绝热剪切在高速率变形的一种常见形式及主要是失效模式，普遍地存在于高速冲 蚀、切削、撞击、侵彻、高速成型、爆炸复合等高应变率加载形变过程中。因此， 自上世纪以来，在众多学者的共同努力下，对于绝热剪切的探究也逐渐的深入。 绝热剪切带的宏观关系的研究已经取得了较大的进展，而微观测试手段制约了人 们对绝热剪切带内部的微观结构的深入研究。随着微观测试技术的进步，如高分 辨透射( h r e m ) ，背散射电子衍射( e b s d ) 等技术的进步，对于a s b 内的 微观结构的研究，已经远超过去仅光学倍数下的显微观察和显微硬度的测试这些 简单的观测和分析，近年来对剪切带内部微观结构的认识进一步加深了，也对形 成机理的探讨提供了证据。如z e n g 等【1 3 1 6 】人利用了近年来比较热门的e b s d 技 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 术表征，描述了不同的应变率和温度对纯钛的微观组织结构和织构的影响。 绝热剪切有两个最基本的特征：一是塑性变形高度局域化的；二是热力学近 似绝热。在绝热剪切带内产生了远超其他区域的剪切应变，温升达到数百开甚至 上千开。利用a s b 内的微观结构结果，通过a s b 内组织是否发生相变，b a c k m a n 【3 0 j 等人将a s b 定义为形变带和相变带两类。主要的区别点在于，形变带中的晶粒 相结构不存在改变，改变的只有晶粒的形状；而相变带的晶粒的相结构已经发生 了改变，与原始晶粒差异较大。而相变的产生是带的内部存在大量无法迅速扩散 的热量的结果，带内的温度足以是材料发生相变。而动态变形冷却时间很短，带 内的晶粒仍然保持该状态。这也是大家比较公认的划分方式。不过过去的区分界 限还是不够明确，如白亮带一般都认定为时产生了相变。而最近有研究证明白亮 带的产生并不需要发生相变。s p t i m o t h y 3 1 】等人在研究中对于相变带和变形带 的划分是以a s b 内是否出现等轴细晶组织来划分的，出现了就是相变的结果， 但变形时a s b 中心这种等轴细晶组织是普遍存在的，只是宽窄有不同而己。因 此绝热剪切带的分类并不能这么简单划分。对于a s b 的两种基本类型，大家对形 变带一般有较为一致的认识，即带内的晶粒无根本性变化，只是形状上的改变或 者是碎化；对于相变带则未能达到共识，争议主要集中在：细晶的产生到底是相 变还是再结晶的结果：高速变形下，什么变形机制在起作用：a s b 内的条件能 否满足相变条件；怎么解释与传统再结晶理论的矛盾。对于依靠t e m 检测下出 现环状衍射花样，或者是显微硬度的测试中剪切带内比基体高，这些结果【3 2 。3 4 】 并不足以解决学者们对于是否产生相变的争议。 1 2 2 材料失稳形成绝热剪切的研究 材料绝热剪切变形失稳是由材料的本身因素和变形条件两者共同影响下产 生的。迄今为止，关于热塑性失稳临界条件的研究，在众多学者的努力探索下， 由单变量控制发展到三变量控制的临界准则。c u l v e r 等【3 6 】在1 9 7 3 年提出的绝热 剪切临界条件就属于单变量准则，其变量是临界应变；徐天平等人【8 】利用双曲型 势垒热激活机制的热粘塑性本构模型，对t i 6 a 1 4 v 合金在常温条件下的的热塑 失稳条件进行了研究，得出了双变量准则，其变量是应变与应变率；包合胜等【3 刀 在双变量准则的基础上，虑到环境温度的可变性，发展出了三变量准贝j j 38 1 ，其 变量分别是原来应变和应变率基础上加入了环境温度，使用三变量临界准则进行 理论预测，发现效果更好。在绝热剪切本构失稳的研究中，目前的的研究结果和 得到的本构模型，对于绝热剪切变形很大程度上仅仅是对于试验数据的拟合，而 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 不能对于a s b 的分布和特征并不能达到代替实验，进行有效预测的程度，也就 是说，适用的范围还过于狭窄，还未达到应用于工程需求的程度。 1 2 3 绝热剪切动态再结晶的研究现状 针对经典动态再结晶理论不能解释a s b 内晶粒形成的动力学这一现外研究 者提出了几种新的动态再结晶机制，主要有： 一、晶粒碎化扩散及晶界迁移混合机制 a n d r a d e 【3 9 1 等人提出者一机制主要是基于高应变下c u 中a s b 的微观演化特 征，过程描述如下： ( 1 ) 原始组织内受到加载部分有大量孪晶亚晶产生，其间距多为微米量级； ( 2 ) 亚晶在继续变形作用下拉长为长条的片状结构，近似平行于剪切方向； ( 3 ) 长条的片状结构组织在位错缠结的作用下产生了“碎化”； ( 4 ) a s b 中心的产生大量的热，原子短程扩散，形成了取向差较大的等轴 晶状的组织。 不过a n d r a d e 等人对于该模型只是进行了定性的现象描述，缺乏定量分析， 尤其是( 3 ) 到( 4 ) 过程更没有有力的实验来加以证明，同时也没有考虑应变率 在变形中的作用，而我国的孙坤等人 4 0 】在对于钛合金的研究中也有着类似的描 述，更加以了实验的佐证，不过仍然属于定性的描述，缺少定量分析以及动力学 上的论证。 二、亚晶取向差累进再结晶机制 h i n e s 4 1 】等人在双晶物理模型的基础上，结合晶体微观塑性理论提出了亚晶 取向差累进再结晶( p r o g r e s s i v es u b g r a i nm i s o r i e n t a t i o nr e c r y s t a l l i z a t i o n ，p r i s m ) 模型。其微观演化过程如下： ( 1 ) 在剪切应力集中区产生沿着剪切方向细化的初期细小晶胞； ( 2 ) 为了协调变形，随着变形的进行，亚晶晶胞继续细化，形成更加细小 的等轴组织； ( 3 ) 晶胞的尺寸达到临界尺寸，亚结构协调已经不能满足变形的需求，等 轴胞开始产生旋转； ( 4 ) 随着变形的继续，部分亚晶之间形成了大角度的取向差； ( 5 ) 冷却期间，晶界位置的位错攀移，湮灭过程净化了晶界，带内形成大 量的等轴细晶，晶粒尺寸介于1 0 1 0 “m 。 晶取向差累进再结晶机制机制在分析t a 和t a - w 等材料中a s b 的微观组织 7 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 演化上有较大的优势，而对于没有发生再结晶的组织，他们认为只是由于变形不 足以完成第五步，只完成了前四步。这个理论也缺乏动力学上的理论支持，以及 晶界的形成上没有给出信服的论证，因此，对于a s b 的微观演化过程只是一种 定性的现象性描述。 三、旋转动态再结晶机制 n e s t e r e n k 等人【4 2 1 在研究高应变速率下t a 中a s b 的微观结构演化时，提出 了旋转动态再结晶( r o t a t i o n a ld y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n ，r d r ) 机制。其主要 过程如下： ( 1 ) 晶体在变形的作用下产生大量随机分布的位错； ( 2 ) 变形大量集中的区域，位错密度的增加导致大量的拉长的位错胞聚集； ( 3 ) 大量的位错胞随着应变的继续形成长条状的亚结构( 亚晶) ； ( 4 ) 在变形区域，为了协调变形，部分的拉长的亚晶中出现了破碎等现象， 形成大量晶粒尺寸更小的亚晶； ( 5 ) 细小的亚晶产生旋转，亚晶之间产生了大角度的取向差，形成具有再 结晶特征的等轴细晶组织。 亚晶旋转和亚晶界滑移机制在解释剪切带中细小等轴晶在瞬间形成有较好 的吻合【4 3 舢】。不过，由于亚晶界旋转并不能对冷却阶段中大角晶界的形成进行清 洗的阐述，通过r d r 机制和亚晶界旋转模型来解释a s b 内微观结构的演化过程 仍然存在不足。 动态再结晶过程是一个牵涉条件众多的复杂过程，经典再结晶模型的动力学 与动态再结晶的主要矛盾，是a s b 内细晶的形成及之后的冷却在速率上存在数 量级上的差异，对于一些现象的无法解释。以上介绍的几个动态再结晶理论基于 a s b 微观结构演化，在解释部分材料中a s b 的演化过程和一些过程步骤的动力 学上都取得了一定的成果，对于a s b 内微观结构演化的微观表现也通过一些先 进的实验手段得以更多的阐述，但是要形成一个大家都认可的理论模型来解释还 需要大量学者持之以恒的努力去进一步完善。 1 2 4 计算机数值模拟技术在a s b 的应用 计算机技术的进步很大的推动了有关a s b 变形过程中数值模拟的研究。有 限元方法是最重要的也是应用最广的，其思路是一个不断离散并拟合出相近的模 型求出近似解。这样可以比较方便的实现软件化，极大的提高了研究工作的效率。 数值模拟对于a s b 的研究主要集中在拟合本构方程、计算绝热温升、a s b 的 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 形成和扩展以及微观组织演化等几个方面。其中建立材料本构方程是最基础的一 步。研究的开展一般是基于不同的唯象模型结合实验结果，利用最小二乘法拟合 出了t i 及t i 合金，t a 及t a 合金，c u 及c u 合金等许多材料的热粘塑性本构 方程口3 。2 7 】。建立了本构方程的基础上利用有限元方法可以计算出绝热剪切带内的 应力应变场和温度场等分布，这些研究体现出了材料在变形时的局域化现象，( 应 力集中分布在一个很窄的区域内) ，变形过程中始终保持着这种局域化现象，从 而产生了大量集中的应变，从而解释了a s b 的形成。微观组织演化的过程则是 通过结合数值计算和图形软件的使用，模拟出a s b 内部组织的物理演化过程。 近年来伽留金方法( m e s h f r e eg a l e r k i nm e t h o d ，m g m ) 由于其无网格划分的 特点受到大家的关注。l i 及其合作者采用m g m 方法【4 5 】，对于应力塌陷的过程 模拟，他巧妙的创建了一个多物理组合模型，利用热粘塑性本构关系描述基体组 织，而a s b 内组织则使用非牛顿流体模型，借用z h o u 等人【4 6 】的失稳判据公式， 成功对a s b 在形成过程中的微观组织结构的演化以及温度、等效应力、等效应 变的场关系进行了整合性的计算机模拟，在整体性描述绝热剪切变形局部化行为 的作用上，优于仅利用有限元方法。当然，在目前广泛得到应用的有限元方法， 对于网格的划分时，一方面计算精度上存在问题，另一方面变形的前后可能发生 畸变，且a s b 的形成和发展的过程的不可预测，都可能导致计算不能计算下去。 而一些新的数值技术还不够完善，还需要大量的工作和投入来加以完善和发展， 但是计算机数值模拟技术在绝热剪切局域化的研究中对于人们深入认识其本质 的贡献是值得肯定的。 1 3 实验技术介绍 1 3 i 研究动态行为的霍普金森压杆技术 科学研究的发展促进了实验技术的更新，实验技术的进步推动了科学研究的 前进步伐。实验技术的重要性是不言而喻的。在研究动态力学性能时，冲击过程 极为短暂，往往在微秒级的瞬间完成，要研究其中涉及的各项数据，仅仅用常规 的研究手段，对于数据的采集是存在很大的难度。 在这个背景下，霍普金森压杆技术应运而生，这个以霍普金森父子名字命名 的技术在1 9 1 4 年发明。而1 9 4 9 生g k o l s k y l 47 】在其基础上提出并完善了分离式的霍普 金森压杆技术( s p l i th o p k i n s o np r e s s u r eb a r ) 推广了这项技术，且在动态研究领 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 域得到了普遍的应用。其应用机理主要是基于一维应力波分析，通过测定压杆获 得的应力与响应时间的关系来建立试样的应力应变关系。图( 1 - 2 ) 给出的是现 在比较经典的分离式霍普金森压杆装置示意图【4 8 1 。 图1 - 2s h p b 装置示意图【4 8 】 a 装置组成示意图；b 试样夹装示意图 伴随材料的动态性能的研究的发展，h o p k i n s o n 压杆技术也不断的改进以满 足愈来愈多的不同要求，我们国内也有一些研究机构在这一领域投入了不少的努 力，拥有自己的技术【4 9 5 0 1 。目前主要的已经实现或者是希望实现的发展动向可以 概括为两个方面： 一、增强现有的实验性能：( 1 ) 增大口径。目前国内最大口径的是工程兵 器研究院三所张守保等人建立的s h p b 装置，直径达至l j l 0 0 m m ，增大口径的目的 主要是为了准确的宏观统计不均匀样品(