低碳钢Q235在高应变率加载下的变形和损伤

四 川 大 学硕 士 学 位 论 文题 目 作 者 完成日期 2016年 5月 5 日 培 养 单 位 四 川 大 学 指 导 教 师 朱 俊 教 授 专 业 凝 聚 态 物 理 研 究 方 向 金属变形和损伤破坏 授予学位日期 2016 年 6 月 低碳钢Q235的层裂行为研究凝聚态物理专业研究生 李超 指导教师 朱俊 教授金属在动态加载下的响应时一个经典问题，比如在强冲击载荷下金属的变形和损伤失效问题。这类问题涉及到人们对一些汽车、飞机等撞击事件的解释，而这些解释是在人们从一些简单的实验现象归纳出一些机理性的认识上。金属的变形和破坏本身是一个非常复杂的现象，其中应力状态、应变率、应力持续时间等因素不同都会导致金属的变形模式和破坏模式的巨大差异。低碳钢Q235是普通的碳钢，铸造成本低廉，容易成型，应用广泛，是典型的体心立方结构的合金，层错能高而对应变率比较敏感，在低温或者高应变率下会发生韧脆性转化。在本文中主要研究了低碳钢Q235在高应变率下的变形和破坏情况，在宏观上探讨脉宽、应变率、峰值应力对层裂强度、及回跳加速度的影响，其中还对比了中、低应变率的单轴拉伸试验，辅助以abaqus有限元模拟，在细观和微观上探讨不同的加载条件下低碳钢Q235的变形模式和破坏模式。实验得出的结果如下；1. 层裂强度强烈地依赖于应变率、峰值应力，而与脉宽关系不大。层裂强度表示为损伤成核的临界拉应力，脉宽提供这些损伤长大的拉应力持续的时间，损伤成核需要一定的孕育时间，在高应变率的情况下，短的孕育时间对应的高的拉应力。初始层裂时，成核比较稀疏，层裂强度为弱区的强度，完全层裂时，材料中成核越比较密集，层裂强度代表材料的平均强度，这是导致从初始层裂到完全层裂时，层裂强度会随峰值应力的增加而增加。2. 应变率、峰值应力、脉宽对回跳加速度的影响趋势和层裂强度相似，这是因为回跳加速度的大小表示着破坏速率的大小，而层裂强度比较损伤成核时的临界拉应力，高的临界拉应力会导致高的成核率和高的损伤长大速率，这对应着大的破坏速率。损伤度随峰值应力、脉冲时间的增加而增加，它们的量化关系为sigmoidal生长函数。3. 一维应力实验中，随着应变率的升高，位错密度越高，位错分布越均匀，相应的位错组态演化得越不充分。在一维应变实验中，随着冲击速度的增加，塑性变形量随着增加，当冲击速度400 m/s，会有变形孪晶出现。4. 一维应力实验中，拉伸应力靠剪切应力承载，材料的断裂总会在塑性变形最严重的地方并且在拉应力和剪应力的作用下开始成核，随着应变率的增加，材料断裂前应变越来越少，材料会越来越脆。而在一维应变实验中，拉应力不需要剪应力来承载，拉应力通常比剪切应力大一个数量级，通常拉应力来控制材料破坏的。低的冲击速度会导致脆性破坏而高的冲击速度会导致延展性破坏。关键词：低碳钢，层裂，应变率，位错组态，损伤 The investigation of spall behavior in a mild steelSpecialty: Condensed Matter PhysicsPostgraduate: Li Chao Supervisor: Prof. Zhu JunThe response of the metal under high strain rate loading is classical question, for example the deformation and damage of the metal under high explosive-driven. Thats concerned about the interpretation of the dynamic events. In this article, we research the deformation and damage of the mild steel Q235 under high strain rate loading, to investigate the effects of pulse duration, strain rate, peak stress on the spall strength, deformation and damage mode. The conclusion is showed as;1. Our experiments demonstrate strong dependences of the spall strength on peak stress and strain rate, and its weak dependence on pulse duration. In high strain rate loading, spall strength reflects the critical stress to initiate damage，and pulse duration largely supplies the time window for damage growth because nucleation of voids or cracks requires a finite incubation time. At higher strain rates, the time available for incubation is less. Such a deficiency is compensated by higher driving force. At incipient spallation, the damage was only nucleated at the weak area, the spall strength was represent the strength of the weak area, while at full spallation, the damage was nucleated densely and spall strength represent the average strength.2. The influence of the pulse duration, strain rate, and peak stress on pull back acceleration is similarity to the effects on the spall strength. This is because that pull back acceleration can represent the fracture rate, the high critical tensile stress can lead to the larger nucleation rate and growth rate. Damage increases with increasing peak stress and pulse duration. Their relations are quantified as sigmoidal functions.3. In the one-dimensional stress experiment, with the increasing strain rate, dislocation is nucleated more uniform , its density is higher and dislocation patterns evolution is not fully. In the one-dimensional strain experiment, the amount of plastic strain increase with the shock velocity, when the shock velocity exceed 400 m/s, the deformation twin emerge.4. In the one-dimensional stress experiment, the tensile stress on shear stress load, the damage was nucleated under the couple of the tensile stress and shear stress at area the plastic strain is fiercely. While the strain rate gets higher, the flow stress gets higher, and the area that subject fiercely or not plastic strain both nucleated and the material get brittle. When in the case of the one-dimensional strain experiment, the tensile stress is one order of magnitude higher than the shear stress, the huge tensile stress can lead the material to nucleate the damage. Thus, the low shock velocity can lead the material brittle fracture and the high shock velocity lead the material ductile fracture.Key words：mild steel，spallation，strain rate，dislocation pattern，damage目录1 绪论11.1 本论文研究的目的和意义11.2 层裂研究的历史回顾21.3 层裂现象中的物理力学过程41.4 本文研究的主要内容82 层裂实验原理与方法102.1 低碳钢Q235原始表征102.2 层裂实验的基本原理102.2.1 一级轻气炮112.2.2 样品设计原则122.2.3 实验中峰值应力、冲击波脉宽、拉伸应变率的确定132.2.4 DPS测试原理与数据处理152.3 分离式霍普金森拉伸杆实验（SHTB）162.4 电子被散射衍射（EBSD）技术172.4.1 EBSD技术简介172.4.2 EBSD实验的样品制备192.5 损伤程度的统计192.6 abaqus有限元分析192.7 本章小结203 宏观力学性能测量和实验结果分析213.1 脉宽、应变率、峰值应力对层裂强度的影响213.1.1 脉宽对层裂强度的影响213.1.2 应变率对层裂强度的影响223.1.3 峰值应力对层裂强度的影响233.1.4 实验结果的讨论243.1.5 对实验结果的分析263.2 断裂强度的率敏感性283.2.1 低、中应变率下的拉伸试验283.2.2 高应变率实验和低、中应变率实验的比较293.3 脉宽、应变率、峰值应力对回跳加速度及损伤度的影响303.3.1 脉宽、应变率、峰值应力对层裂现象中回跳加速度的影响303.3.2 脉宽、峰值应力对损伤程度的影响313.4 本章小结354 低碳钢在不同加载条件下的变形364.1 低碳钢在不同加载的条件下的微结构364.1.1 一维应力下的低碳钢的变形364.1.2 一维应变下的低碳钢的变形374.1.3 实验结果的分析384.2 低碳钢在不同应变率下的变形模式394.2.1 MTS和SHTB实验结果相比较394.2.1 一维应变下高速与低速的实验结果的比较404.2.3 一维应力与一维应变加载下的变形模式比较414.3 本章小结415 低碳钢在不同加载条件下的破坏425.1 不同加载模式下低碳钢的破坏425.1.2 低碳钢在低速冲击下的脆性解理破坏435.1.3 低碳钢在高速冲击下的延展性破坏445.2 低碳钢Q235的破坏模式分析465.2.1 从延展性破坏到脆性解理破坏475.2.2 冲击下从脆性破坏到延展性破坏的转变485.2.3 一维应力加载和一维应变加载495. 3 本章小结51六 全文总结和工作展望516.1 主要研究内容和创新点526.2 研究展望53参考文献54攻读硕士学位期间发表的论文目录58致谢58声明601 绪论1.1 本论文研究的目的和意义材料在极端高应力，高应变率下的加载下的响应在基础研究和工程应用中是一个很重要的问题1。这是一个比较经典的问题，其内容丰富，应用需求强烈，是兵工技术、武器物理学、工程事故分析以及工程结构和强度的设计等领域的重要科学技术问题2。同时，材料的变形和破坏是物理学、材料学、力学的多学科、领域的相互交叉，跨越多个时空适度具有极端的挑战性的问题。要对材料的变形和断裂有一个深入的认识不仅需要清楚不同时空尺度下的物理过程3，以及这过程对时空的依赖性，还需要了解这些在不同时空尺度下的相互关联，其命题简单，但问题却十分复杂。与准静态相比，材料在动态下的响应更为复杂，表现出一些独特的变形和破坏模式如子弹侵彻，宇宙碎片碰撞，爆破，飞机碰撞等等。材料的动态损伤和变形研究材料在冲击条件下所承受的加载速度是102-103 m/s，其应变率大约为103/s -108/s，材料在这种应变率下的载荷下有着不同于常规的变形和破坏模式4。图1.1 MaRIE计划实验和理论研究的目标尺度范围延展金属的动态拉伸断裂是研究损伤和断裂特性、机理的重要课题5,6。虽然之前的一些研究者借助测量和表征手段可以得到一些损伤在时间7和空间8上演化信息10,11，但由于受到测量技术的限制，不能实时地和准确地观察到材料内部结构随时间演化的过程和路径。在此基础上建立起来的模型也是很片面的，跟实际还有一些出入，这显然是预测能力不粗的。美国近几年倡导的玛丽计划，强调了“发展并维持实验、理论以及模拟之间的密切关联” 10,11。在当前的实验和模拟技术上，进一步研究损伤演化的物理过程，建立包含宏观力学特性和微结构之间的联系显得极为重要。1.2 层裂研究的历史回顾层裂是这些破坏中重要的一种破坏模式。在材料中传播的两个相向的稀疏波相遇会产生一个拉应力，当拉应力超过材料的临界拉伸强度时，材料内部会被拉开，从而导致材料破坏，这就层裂现象。自上世纪50年代以来，层裂被人们用各种实验方法所研究，其中包括爆炸加载，平板撞击，激光辐射，核磁加载等。50年代初，莱因哈特用霍普金森的实验方法研究了一些金属材料的层裂，大量的实验数据得来，材料发生层裂时拉伸应力要达到一个临界的阀值，这个临界的拉伸应力定义为层裂强度。当时他认为层裂强度是表征材料的一个特征常数，即最大拉应力准则10,11。该准则假定层裂现象是在瞬态发生，与时间、加载方式等无关。该层裂准则可表述为； （1-1）这一准则其实是根据静态拉伸准则推广而来，而作为材料的特征常数。自轻气炮实验技术产生后，这为研究层裂提供一个更为简单、更有效的实验方法。轻气炮可以控制产生拉伸应力幅值、持续的时间（脉宽）、拉伸应变速率，在此基础上许多研究者都提出自己的层裂准则，例如怀特曼12和斯基德莫尔13提出了材料的层裂强度与拉伸应力率成线性关系； （1-2）这些准则都考虑了应力波形对层裂的影响，即层裂强度不是材料的一个特征常数，它与材料与加载的特性有关，但这两种准则也同样认为层裂是瞬态发生，与拉伸应力持续的时间无关。斯密斯14和凯勒等人的平板冲击试验表明，不同的厚度的飞片对应的不同的拉伸应力阀值，得出层裂强度与拉伸应力持续时间有关，即层裂不是瞬态发生的，而是与载荷历史有关。戴维逊和史提芬15在总结了前人的结论，并引入层裂连续损伤的开年。他们将层裂分类为；瞬时的和积累的、局部的和非局部的。如果层裂发生如植根当前的域变量有关，即定义为瞬时的，如层裂发生跟这些变量的历史有关，即定义为积累的。如准层裂面的域变量只与此破坏面有关，则定义为局部的，如跟远离层裂的域变量也有关系，则定义为非局部的。布彻指16出层裂发生于应力历史有关，而是取决于材料成核和发展的整个过程。泰勒和布彻17,18的实验表明层裂的发生不但与应力的大小相关，还与拉伸应力持续的时间有关。长脉宽对应的断裂应力比短脉宽比较低，而还有一个层裂阀值，当拉伸应力小于此阀值，无论脉宽多长，则材料不会发生层裂。因此他提出积分形式的层裂准则； （1-3）该准则称为损伤积累准则。式中K和为材料的特征常数，为材料发生层裂时临界阀值应力，称为层裂强度。从简单层裂的准则到损伤积累概念的引入，标志这人们对层裂现象的认识已趋向成熟。在此基础上，人们开始探讨一些因素对层裂强度的定量的影响。层裂强度是通过测得样品后自由面速度历史曲线计算得出来。然而，层裂强度并不是材料的本征特性，它依赖于加载的条件、载荷的大小、样品和飞片的形状、材料的微观结构、温度等。人们为了研究这些因素对层裂强度的影响，做了大量的实验，其中包括应力的大小、拉伸应变率、拉伸波的脉宽、环境的温度对层裂强度的影响，然而他们得到一些确定的结论外还有一些相互冲突的矛盾。比如，史蒂芬和泰勒19,20在通过气炮加载和爆炸箥技术来探讨冲击压缩对1020钢、6061-T6铝合金的层裂的影响，实验结果显示冲击压缩的强度对层裂强度的影响很小。然而约翰逊21,22在研究不同的脉宽、不同的应变率对无氧铜的层裂强度的影响时，得出不同的结论；他们的实验数据和有限元模拟显示层裂强度随着拉伸波的脉宽和拉伸应变率的变化而影响不大。而陈23在不同微结构的铝中的层裂研究中报道出在4-22GPa的压缩脉冲下，层裂强度随应变率和压力的增加而增加，而不随着脉宽的变化而变化。峰值应力、拉伸应变率和拉伸波脉宽对层裂强度均有影响，这些因素也影响材料破坏的程度，而通常这几个因素对它们的影响相互交叉。探讨这些因素中单独某一个对它们的影响很有必要，然而控制单一变量的冲击波几乎不可能，这样的实验也没有被看到过。1.3 层裂现象中的物理力学过程在层裂现象中，材料的损伤、断裂描述为三个过程；即微孔洞（微裂纹）的成核、长大和贯通。关于层裂的成核和长大、贯穿的模型已经在1987年被柯伦24等作了总结，此后人们对层裂成核和长大的机理又做了许多的研究，同时又有研究应变率和脉宽对微孔洞或微裂纹的长大和贯通的影响。在25的工作中，他的理论和以前的实验表明，材料在低应变率下，层裂现象中会以脆性破坏为主，而高应变率下会以延展性破坏为主。这些充分说明了，在不同的载荷下，材料会有着不同的变形和破坏模式。实际上，微孔洞或微裂纹聚集从而导致的贯通进而诱发层裂突变的动力学过程是研究层裂破坏的关键。裂纹成核的机制26，层经提出过多种的设想：一，通常都加载在应力作用下，刃型位错的合并可以构成裂纹的胚芽；二，滑移带被晶界阻挡，塞积的位错英气的应力集中，促使裂纹成核；三，滑移带相交形成不完整的位错墙，它的应力集中会促使裂纹成核；四，刃型位错墙的一部分发生侧移，也会形成裂纹，裂纹面将和滑移面相重和。微裂纹成核后既可能以裂纹的形式继续扩展，也可能发生钝化成为微孔洞，这是根据赖斯和汤姆逊27提出脆性或延展性断裂判据。即裂纹尖端的位错既收到外加应力的作用引起的斥力，又收到裂纹自由面像力作用引起的引力，还收到点阵阻力的作用，上述三力平衡时，如裂纹尖端自然发射位错而不需要激活能，即微裂纹就演化为微孔洞，如裂纹尖端不易或不能发射位错，则微裂纹会继续以裂纹的形式扩展。图1.2 材料在层裂过程孔洞成核、长大、联合的物理过程微损伤的成核方式不是唯一的，其形核方式受到加载条件、坏境的影响，通常来说潜在的成核点在晶体材料内的弱区，主要有缺陷、第二相、杂质、晶界、相界等，在这些地方成核是由于材料内部的不均匀，破坏整个过程又依赖于微结构的演化。微损伤的增加是延展性金属损伤演化的第二阶段，也就是损伤成核后，连续增长和持续演化的过程。学者们展开大量的研究。对于高应力驱动微损伤增加主要是损伤表面向为周发射位错形成塑性流动28，这通常在实验过程难以观察到，不过可以通过测量孔洞周围的硬度可以做出定性的判断。微损伤的聚集是损伤演化的最后一个过程，即微损伤间相互作用，在宏观上形成损伤。实际的损伤聚集过程是几何形态、应力状态、材料应变硬化效应以及应变率效应的共同作用。在不同应变率脉宽加载对材料的微结构的影响也不相同，通常来说，在准静态下，材料以位错运动为主来协调塑性变形，而在高应力，高应变率下，材料可能会出现变形孪晶来协调塑性变形。图1.3 在不同的温度下低碳钢中剪应力随应变率的变化的曲线在本论文中，我们选择一种重要的工程材料，低碳钢Q235。低碳钢Q235是一种常用的钢材，其良好的冷成形性，可采用卷边、折弯、冲压等方法进行冷成形，还具有良好的焊接性，同时其经济适用，而广泛地应用于建筑，桥梁，汽车等方面。低碳钢是一种强度相对比较低、而塑性比较好的体心立方铁的合金，退火组织为铁素体和少量的珠光体。塑性变形一般通过滑移或者孪生来实现，如图所示为低碳钢中剪切应力与应变率的关系29，在应变率时，热激活为主要的机制，在应变率时为阻尼机制。在应变速度比较低的情况下，位错交滑移相对容易形成胞状结构，大部分位错存在于胞壁。而对于在冲击波加载的高应变率实验中，单轴应变状态产生的偏应力会使位错在冲击波阵面上或其附近处均匀成核；这些位错的生成会使偏应力发生弛豫。即当冲击波传入材料是，高的偏应力会使初始为立方晶格扭曲成斜方晶格。当应力达到某一临界值时，就会出现均匀成核现象。Murr30和Kuhlmam-Wilselorf31发现位错密度随着压力的平方根的变化而变化。Mikkola32还发现在非常短的脉冲持续时间（亚微秒级）内，位错密度随脉冲持续时间的增加而增加，这是因为位错的形成需要一定的时间。而当脉冲持续时间更长的话，位错密度就不随着脉冲持续时间的增加而增加，而在这个时间内，是为了重新组织位错提供更多的时间。Murr33进行了系统的实验，对大量材料的这些效应进行了研究，得出位错晶胞的尺寸随着压力的增加而减小。在面心立方晶格金属中，其堆垛层错能在很大程度上决定这位错的亚结构，这一点同时适用于准静态变形和冲击变形情况。不过，在任何情况下，位错受到冲击时的分布要比常规变形中的分布更加均匀。在高层错能的合金中，冲击载荷后的位错晶胞分界的扩展不如常规变形的好。冲击压力大于10GPa时34，对于层错能小于50mJ/m2的面心立方晶格金属，可造成一个位错缠结的过渡区，很难形成位错胞，有时会形成位错的平面排列（其与111滑移面有关）。随着层错能的升高，冲击诱发的结构是从堆垛层错结构转变到位错胞结构。图1.4延性-脆性转变的唯象解释示意图金属中不但变形与形变速率有关，而且破坏模式也与应变率有关，有些金属如低碳钢的破坏随着应变率从低到高会有从延展性到脆性的转变。这解释跟温度对它的影响是一样的。即断裂应力和屈服应力都会随着应变率的升高而增加，而相比屈服应力，断裂应力对应变率的敏感性更差35，将、对应变率作图，如下所示，随着应变率由低到高，两条曲线就要相交，交点就是对应的延性-脆性转化应变率。在的区域内，即，这时表示为裂纹扩展需要的临界应力，而金属中需要一定塑性变形才会有一定的微裂纹36，即材料在屈服后才会发生断裂，表现为脆性。1.4 本文研究的主要内容本文采用过一级轻气炮进行的平板撞击实验，激光测速技术，探讨脉宽、应变率、峰值应力对低碳钢Q235的层裂强度的影响，并做了与万能试验机、霍普金森杆实验得出的断裂强度做了一个断裂强度随应变率变化的关系做了一个规律性的认识。加载实验完后的样品做了SEM，EBSD表征，并做了损伤程度的统计，认识到了峰值应力、脉宽对层裂现象中损伤成核、长大、联合的影响。最后结合EBSD表征及后处理分析，abaqus有限元分析，对实验中脉宽、应变率、峰值应力对层裂强度影响进行了一个深层次地、系统性地分析，认识到这三个因素影响层裂强度的本质原因，并且深化了我们对各种不同加载下材料的变形、破坏模式的认识。文本的创新有以下几点：第一，对影响低碳钢层裂的几个因素做了一个系统性的探讨实验，由脉宽对层裂强度无影响入手，在此基础上得出层裂强度与拉伸应变率的关系，紧接着在这一步的基础上得出从初始层裂到完全层裂，层裂强度随着峰值应力的增加而增加。对这些现象进行了一个深层次的分析，并结合前人的工作，对他们的成果起到一个拨乱反正的效果，使我们对层裂这个复杂的现象有一个系统性和本质上的认识。第二，我们开创性地探讨了峰值应力、脉宽对损伤程度的影响，结合SEM表征，自由面速度-时间曲线，对各个压力、不同的脉宽对层裂现象中损伤成核、长大、联合。第三，第一次探讨了脉宽、应变率、峰值应力对回跳加速度的影响，把宏观自由面速度-时间曲线和微细观损伤结合起来，并给出相应的解释。第四，我们观察到在层裂实验中低应力、低应变率会导致低碳钢的解理脆性破坏，而高应力、高应变率下导致延展性孔洞破坏。并通过EBSD分析，abaqus有限元分析给出合理的解释。各章内容具体安排如下：第一章为绪论，简洁地介绍了层裂现象和微损伤演化的研究历程和发展现状。第二章介绍了本文中所用的实验装置和实验方法。第三章由层裂实验中样品自由面速度-时间曲线算出了层裂强度，并探讨了脉宽、应变率、峰值应力对层裂强度和回跳加速度的影响，并相应地对原因做了分析。第四章探讨了低碳钢在不同的加载条件下的变形，对微观组织演化进行了分析。第五章分析了低碳钢在不同的应变率、不同的应力的加载下的破坏模式。第六章是对本文的工作总结和今后工作的开展。2 层裂实验原理与方法 2.1 低碳钢Q235原始表征本文实验所用的材料为低碳钢Q235，材料化学元素成分如下表；CMnSiSPFe0.17%1.3%0.30%0.04%0.045Balanced表2-1原始材料的EBSD表征如下：图2.1 EBSD欧拉取向图，不同颜色表示晶粒的取向不同原始材料为铸造普通碳钢，由上EBSD图可看出平均晶粒尺寸为25m，各种颜色分布均匀，近似为材料各向异性。2.2 层裂实验的基本原理 层裂是在样品中两个相向传播的稀疏波相遇产生拉应力使得材料发生动态断裂的过程，图2-3表述了层裂发生的一般过程。图中左边是飞片，右边是样品，飞片开始以一定的飞行速度撞击样品，在飞片和样品中的碰撞面产生冲击波，当冲击波传到自由面时会被卸载成为稀疏波，我们一般设计两列相向的稀疏波在样品中相遇，然后产生拉伸波，当拉伸波的幅值和脉宽足够大时，样品内部会被拉开，这就是层裂过程。图2.2 平板撞击下样品内部波系作用于材料内部的应力状态示意图层裂实验的测量方法有很多中，应用最广泛的为用激光测速干涉仪技术测量方法测量样品自由面的速度历史曲线。下面我们来讨论如何从VISAR测量的自由面速度剖面特征判断材料内部是否发生了层裂1。如图2-3所示，当冲击波传到自由面时，样品的自由面速度会突然增加到加载平台值Umax；而从飞片传入的稀疏波与从样品自由面反射的稀疏波相互作用后，达到样品自由面时会使自由面的速度开始下降，此时两列相向的稀疏波相遇会产生拉伸应力状态，经过一定的时间后，拉伸应力会到一定的阀值，材料发生层裂，产生层裂面。当层裂面产生后，后续的稀疏波会在层裂面上反射为冲击波，这冲击波传播到样品自由面上，会使自由面速度回跳。我们可以根据这自由面速度历史曲线是否有回跳来判断材料内部是否发生了层裂。2.2.1 一级轻气炮在平板撞击实验中，我们通常用的是一级轻气炮加载方式，它具有弹丸速度精确测量并可控、飞片飞行平稳、实验数据重复性好等优点。它的工作原理表述如下；图2.3 平板撞击实验示意图实验中，开始向高压室充预定压力的气体，在气体和子弹之间有一层铝膜，子弹是由飞片（3）和弹托（1）组成的，飞片后面留有孔隙（2），当气体的压力到达铝膜的破膜压力时，高压的气体驱动子弹在炮管（9）里加速运动，为了提高子弹的速度，一般弹托都用比较轻的有机玻璃材料做成，而为了消除空气对高速飞行的子弹的阻碍，炮管（9）和靶室（10）都抽成真空，为了防止高压气体向炮管中漏气，在圆柱形的子弹周围都装上连个密封圈，这样既保证子弹在炮管中飞行不漏气，又能保证子弹在炮管中处于中心位置。当子弹到达炮管另一端时，子弹的速度以几百米每秒的速度撞击样品（4）。测量飞片撞击样品的速度是通过激光挡光技术（8）来实现，测量飞片撞击样品的速度误差在1%左右。样品是粘付在回收装置上面（5），样品自由面速度是通过激光多普勒效应干涉（DPS）技术（7）来实现，DPS探针在样品仓里，为了使样品加载完后可以通过后续回收分析，用反光膜（11）来改变激光光路以致高速飞行的样品不会打到硬的陶瓷头光纤上。软的真空封泥（12）是用来缓冲高速飞行的样品，以防止后续的塑性变形。我们实验用的压缩气体为氦气，能控制速度在50-600 m/s。在样品后面还装有软回收装置10,11，以防止样品不至于发生后续的塑性变形。2.2.2 样品设计原则在平板撞击试验中，样品和飞片可能受到这三种稀疏波的影响；（1）边侧稀疏波：当飞片和样品相撞时，飞片和样品中产生冲击波的同时，还会在产生边侧稀疏波，从样品和飞片的两端向中间传播，破坏样品中的一维应变状态。（2）追赶稀疏波：冲击波到达飞片的后自由面时，会反射成一簇中心稀疏波，这稀疏波往样品后自由面传播，最终将可能赶上冲击波，会使造成冲击波的衰减。（3）样品自由面产生的稀疏波：样品中的冲击波到达自由面时会反射产生中心稀疏波。一 实验过程样品中间最不容易受到边侧稀疏波的影响，因此我们选区在样品中间，为了保证中间测量区域在冲击波的平面性范围内，根据文献10,11，样品的宽厚比要尽量大于2。二 在冲击波加载的条件下，为了使压缩冲击波不受追赶稀疏波的影响，从而是压缩冲击波不至于被卸载，同时为了使得层裂发生在样品中，则要使飞片和样品厚度之间满足一定的关系；ds/4df ds。这次实验的目的是探讨冲击波的峰值应力、脉宽、应变率对低碳钢的层裂行为的影响。根据这个实验目的对飞片的速度、样品和飞片的厚度设计是这样的。我们所用的轻气炮的炮管的直径是14mm的，则样品和飞片都是直径14mm的圆片。层裂实验要分为三组；脉宽组（探讨冲击波脉宽对层裂行为的影响），应变率组（探讨拉伸应变率对层裂行为的影响），峰值应力组（探讨冲击波的峰值应力对层裂行为的影响）。在脉宽组实验中，我们控制飞片撞击样品的速度是固定在400 m/s左右，样品的厚度固定在2mm不变，而改变飞片的厚度来控制脉宽的长短。在应变率实验中，依然控制飞片的速度为400 m/s，而为了获得较大范围的应变率，我们同时改变飞片厚度和样品厚度而保持飞片厚度为样品厚度的一半。在峰值应力组实验中，样品和飞片的厚度都保持不变，而控制飞片的速度由高到低。2.2.3 实验中峰值应力、冲击波脉宽、拉伸应变率的确定在本论文的层裂实验中，需要知道冲击波的峰值应力、脉宽、拉伸应变率。对于已知的标准材料，通过自由面速度历史曲线可以得到这些。图2.6 自由面速度-时间曲线在2-6 图中，我们A-F几个字母标示说明的平板撞击实验的几个动态过程。线段AB标示的是弹性先驱波，B标示吕公纽弹性极限，塑性波BC演化到一个稳定、压缩的平台CD。稳定压缩波的持续时间定义为冲击波的脉宽，从飞片后自由面传播过来的稀疏波会导致自由面的速度下降DE，从样品自由面反射的稀疏波和飞片后自由面反射的稀疏波相遇将会产生拉应力，如这种拉应力超过这种加载条件下的拉伸强度，那么就会在样品内部发生层裂。从样品自由面来的一部分的稀疏波在层裂面上反射成为冲击波，这将会导致自由面上的速度有后续的增加。在E点的速度再增加是一个典型的层裂信号。EF表示着在层裂过程中微孔洞或者微裂纹的成核，而FG段表示它们的联合10,11。后面的震荡表示波在层裂面和自由面间来回的反射。一般，用下表0-2来表示初始状态，弹性先驱波，塑性波。用下标H标示稳定的冲击波状态，Us，Up，和标示冲击波的传播速度、冲击波影响区域的粒子速度、密度。在弹性极限为10,11，在冲击加载的一维应变的假设前提下，可以得到材料的屈服强度表示为： （2-1）由上自由面速度-时间曲线，我们可以得到低碳钢Q235在高速冲击下的弹性极限为1.80.2 GPa，屈服强度为1.00.2 GPa。这本文中，我们用304 钢的数据作为冲击波的Us，Up的关系，其中纵波声速C0 = 4.58 km/s，和斜率s = 1.5。这里用飞片撞击样品的速度一半来预估up。相应的峰值应力为： （2-2）材料在Hugoniot状态时的密度为： （2-3）体积应变为： （2-4）Von Mises 等效应变为： （2-5）层裂强度可以根据自由面速度-时间曲线中的回跳速度算出： （2-7）稀疏波造成的拉伸应变率定义为： （2-8）回跳加速度（EF）反映层裂过程中破坏速度，是由以下公式量化： （2-9）2.2.4 DPS测试原理与数据处理DPS是基于光的多普勒效应的原理上建立起的一种测速装置，具有非接触测量、测量范围具有连续性、测量精度高以及抗电磁干扰等特点。经过几十年的发展和改善，该技术已经成熟了。它不仅应用于气体动力学、流体力学。而且也成为冲击波领域的常用测试手段之一。VISAR测试原理是激光照射到运动物体上，运动的物体对光的反射（实验中要求样品自由面抛磨成镜面以便反光）或者散射使得光的频率产生多普勒平移。利用产生的新的频率的激光和本征波混频，再经过适当的处理，就可得到物体运动速度。2.3 分离式霍普金森拉伸杆实验（SHTB）为了对比轻气炮上的高应变率(104109/s)实验；我们还在万能试验机上做了低应变率（10-1/s）拉伸实验；在霍普金森分离式拉杆上做了中应变率（102104/s）实验。Hopkinson在1914设计出一个测定和研究炸药爆炸或子弹射击时压力时间的关系，这所采用的装置就是霍普金森杆。1949年Kolsky在此基础上首先变为分离式并用以研究高应变率下的材料的动力学行为。实验时，气体驱动撞击管，使得撞击管以一定的速度撞击入射杆的一端，这个在撞击过程中使得入射杆中产生一定脉宽的拉伸应力波，这列朝向样品方向传播的应力波定义为入射波。当入射波传到与样品接触入射杆的另一表面，由于入射杆和样品的波阻抗不同，入射波将会在这个接触表面发生透射和反射，一部分入射波传播在样品中，称为透射波，被反射到入射杆中的称为反射波。试验装置上还配有应变片，动态应变仪，测量入射杆、透射杆上的应变随时间变化的曲线。然后通过一些变换，材料的应力和应变就能的出来。一般来说，对于金属材料而言，加载脉冲的持续时间比波在样品中传播的时间长得多，因此可以忽略样品内波的传播效应。该实验可获得材料在应变率为的动态力学性能。图2.4 分离式霍普金森拉杆示意图 在万能试验机和霍普金森实验中，样品被设计为狗骨头形状，如图所示，样品的标距段为5mm，宽2mm，长1mm。图2.5 狗骨头形状的拉伸试样2.4 电子被散射衍射（EBSD）技术2.4.1 EBSD技术简介上世纪九十年代以来，在扫描电子显微镜上装有的电子被散射衍射花样使获得晶体微区取向和晶体相结构得到极大的发展，该技术称为电子被散射衍射技术（Electron backscatter diffraction,简称EBSD），也有称为取向成像显微技术（Orientation imaging microscopy，简称OIM）。EBSD技术能有自动采集样品微区的相结构、取向信息，而且实验操作简单、样品制备简单。带有自动化的分析软件，能定量得系统地研究材料的微观组织结构，已成为晶体材料学研究领域中一个重要的表征手段。图2.7 扫描电镜中晶体取向标定过程示意图如图所示，在扫描电镜中，电子束从上边的电子枪发射过来，打到样品表面，质量小的电子被质量大的样品表面的原子反弹回去，弹回去的电子在晶体晶格中发生布拉格衍射，形成衍射圆环，衍射圆环被EBSD探头上面的磷屏截取为一条条的衍射带，这就是菊池带。EBSD探头和处理器将这些菊池带花样进行Hough变化，然后根据电镜样品室坐标系，探头坐标系和花样平面坐标系三者之间的相对位置和几何关系的信息，再结合衍射几何原理，通过计算机软件出入对应参数拟合出来的衍射花样对应的晶体取向。计算机根据探头探测到的花样模拟出对应趋向的菊池带花样。根据探测到的花样、模拟出来的花样进行比较、拟合、判断，最终将样品表面的晶体晶面和晶带轴对应的菊池线指标化，得到该点处的样品的晶体取向信息。EBSD实验在带有牛津EBSD探头的FEI Quanta 250 FEG-SEM 上完成，扫描电压为30kV，工作距离15 mm，并转角70，扫描完毕后用机器上自带的HKL channel5软件进行后处理。2.4.2 EBSD实验的样品制备在轻气炮回收样品后，把圆饼形的样品沿着加载方向一分为二，然后在截面上做SEM和EBSD表征。万能试验机和霍普金森杆上的实验回收的样品后，沿着加载方向把样品从中间切开，然后表征切开的面。对于做EBSD实验的样品的基本要求是：样品表面平整、干净、无残余应力、导电性良好，而且样品要放入电镜样品仓，不能太大，样品外观坐标系要确定以便后续的数据分析。制样过程中，将要表征的面用300#、600#、1200# SiC砂纸上粗磨，接着就是在2000# 水性砂纸上细磨，最后在司特尔全自动抛光机，用氧化铝抛光液进行最后的抛光，使得样品没有肉眼可见的划痕。电解抛光是使样品进一步光滑、平整同时去掉机械抛光带来的残余应力。对于低碳钢的电解所用的方法是，用铜棒做阴极，样品做阳极，在-20的电解溶液（5%的高氯酸和95%的酒精的混合溶液）中进行电解抛光，电解电压为45V，电解持续时间为45s，抛光完用水猛冲，洗清表面的残留的电解溶液。2.5 损伤程度的统计为了描述，损伤微孔洞（微裂纹）在拉应力的作用下随时间演化的过程，我们进行了损伤程度的统计。过程如下，我们用SEM拍下层裂样品的横截面图。由于SEM拍照不能拍样品全貌，我们用拍了一个样品的多张图片，然后PS技术把这些照片拼接起来。我们用软件image J来统计损伤程度。取样品截面中间（边侧稀疏波影响不到的区域）0.6 mm长度X样品厚度的区域。损伤程度=区域内孔洞的面积/区域总面积。2.6 abaqus有限元分析ABAQUS 是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS 包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料。为了比较得到材料内部层裂面上真实的应力状态，我们还进行了有限元abaqus模拟层裂实验。所用低碳钢的本构为Johnson cook模型。 （2-10）杨氏模量泊松比密度熔点Tm相变温度Tr210GPa0.37850kg/m31750950ABCnm250MPa900MPa0.050.51表2-2 abaqus所用的本构模型和相关参数2.7 本章小结 简要的介绍了层裂实验的过程、原理，以及以实验目的为准的样品设计准则。还介绍了层裂回收实验的样品EBSD表征技、abaqus有限元分析，以及损伤统计原则。3 宏观力学性能测量和实验结果分析在层裂现象发生前，压缩冲击波已在材料中造成一些微结构上的变化这些有可能会影响材料的层裂性质。并且材料中层裂是一个复杂的过程，脉宽、应变率、峰值应力均可能会影响层裂，而且作为应力波的一个特性，这三个变量中任何一个变量发生变化均会导致其它两个量的改变，因此控制器中单一变量基本不可能，本文中采用逐步分析法，探讨每一变量对层裂强度的影响。3.1 脉宽、应变率、峰值应力对层裂强度的影响本文讨论脉宽、应变率、应力对低碳钢层裂行为的影响，这一章主要是基于自由面速度测量来讨