純鐵在大應(yīng)變速率范圍內(nèi)的變形和斷裂行為

馮利民,蘇國勝,劉 義,張紅霞

齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,濟(jì)南 250353

純鐵是一種具有高延性、低硬度、超導(dǎo)磁性的金屬,廣泛應(yīng)用于軍事裝備、電力電子等工業(yè)領(lǐng)域。

純鐵零件在高速切削[1]、動態(tài)沖壓[2]和沖壓成形[3]過程中,會發(fā)生高應(yīng)變率變形,這對工件材料的塑性變形過程和失效行為產(chǎn)生很大影響。因此,研究純鐵在不同應(yīng)變率下的力學(xué)性能對純鐵零件高速加工具有重要意義。

結(jié)果表明,在高應(yīng)變率下,變形區(qū)的熱軟化和應(yīng)變硬化與靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)變形條件下有顯著差異。一方面,對變形區(qū)材料的變形破壞過程有很大的影響。Peirs等[4]對鈦合金Ti6Al4V試樣進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)(0.5 s-1)和動態(tài)(500 s-1)加載實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,動荷載作用下的斷裂剪切應(yīng)變低于靜荷載作用下的斷裂剪切應(yīng)變，最終裂紋開始于試樣的中心點(diǎn),而不是邊緣處。Xu等[5]對603裝甲鋼進(jìn)行了應(yīng)變率為1.00×10-3s-1至4.50×104s-1的雙缺口剪切試驗(yàn)。用掃描電鏡(SEM)觀察了試樣的斷裂形貌。結(jié)果表明,熱軟化在動載荷作用下的變形過程中起著重要的作用。在較高的應(yīng)變率下,局部剪切帶(LSB)形成并控制了破壞過程。斷口表面出現(xiàn)明顯的熔融現(xiàn)象。Guo等[6]對涂有脆性材料基體的純鐵進(jìn)行了低應(yīng)變率(1.00×10-4s-1)單軸拉伸試驗(yàn)。結(jié)果表明,脆性涂層的快速膨脹導(dǎo)致基體材料出現(xiàn)局部高應(yīng)變率加載,導(dǎo)致純鐵基體發(fā)生解理斷裂。

研究結(jié)果表明,應(yīng)變速率[4,10]和溫度[4,11]對純鐵的力學(xué)性能和破壞行為有很大影響。但在以往的大部分研究中,應(yīng)變率都低于1.00×104s-1。為了研究大應(yīng)變率范圍內(nèi)純鐵的變形破壞行為演變，本文利用MTS萬能試驗(yàn)機(jī)和改進(jìn)的SHPB裝置對純鐵試樣進(jìn)行了室溫下3.30×10-3至2.50×105s-1大應(yīng)變率范圍的剪切實(shí)驗(yàn)。用金相顯微鏡和掃描電鏡分析了變形區(qū)微觀結(jié)構(gòu)和斷口微觀形貌，討論了應(yīng)變速率對變形區(qū)塑性變形和斷裂行為的影響,為純鐵的加工方法提供了理論依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

當(dāng)前雙切口剪切實(shí)驗(yàn)所用材料為純鐵DT8。表1給出了純鐵DT8的化學(xué)成分。為了得到較高的名義應(yīng)變率,將純鐵板料加工為如圖1所示雙切口試件。

圖1 雙剪切試件的幾何形狀

表1 純鐵DT8化學(xué)成分 wt%

1.2 準(zhǔn)靜態(tài)和高應(yīng)變率加載實(shí)驗(yàn)方案

采用MTS萬能試驗(yàn)機(jī)對雙切口剪切試件進(jìn)行了應(yīng)變率為3.30×10-3～6.60 s-1的準(zhǔn)靜態(tài)加載實(shí)驗(yàn)。圖2展示了準(zhǔn)靜態(tài)加載的實(shí)驗(yàn)裝置,為試件制作了專門的固定裝置,進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)加載實(shí)驗(yàn)時(shí)記錄每次實(shí)驗(yàn)的加載速度。

圖2 準(zhǔn)靜態(tài)加載實(shí)驗(yàn)裝置

采用改進(jìn)的SHPB裝置對雙切口剪切試件進(jìn)行了應(yīng)變率為1.75×102～2.50×105s-1的動態(tài)加載實(shí)驗(yàn)。圖3為改進(jìn)的SHPB的裝置,實(shí)驗(yàn)裝置采用飛彈直接加載試件的方法進(jìn)行動態(tài)加載實(shí)驗(yàn),并通過光電測速儀對子彈加載速度進(jìn)行采集。根據(jù)公式(1)計(jì)算相應(yīng)的應(yīng)變率:

圖3 動態(tài)加載實(shí)驗(yàn)裝置

(1)

圖4展示的是超景深光學(xué)顯微鏡下觀察的已發(fā)生斷裂的試件剪切變形區(qū)域。對圖4中斷裂試件“a”部分進(jìn)行鑲嵌、拋光和腐蝕,通過徠卡金相顯微鏡對剪切變形區(qū)進(jìn)行金相觀察。將圖4中斷裂試件“c”部分的斷面在掃描電子顯微鏡(SEM)下觀察。

圖4 試件的變形區(qū)域

2 在不同應(yīng)變率下的變形模式

注:a)3.30×10-3 s-1；b)1.75×102 s-1；c)1.55×103 s-1；d)8.00×103 s-1；e)3.70×104 s-1；f)8.00×104 s-1；g)1.20×105 s-1；h)1.87×105 s-1；i)2.50×105 s-1

圖5展示了不同應(yīng)變率下試件變形區(qū)的金相組織。從圖5可以看出,隨著應(yīng)變速率的增加,試件的斷口形式發(fā)生了如下變化:凸形正斷斷口型、杯狀剪切斷口型和剪切斷口型(圖5 a)至c))。在應(yīng)變率分別為8.00×103s-1、3.70×104s-1和8.00×104s-1時(shí)(圖5 d)至f)),試件剪切區(qū)域形成局部剪切帶。在這些應(yīng)變率下的剪切區(qū)域可劃分為均勻變形區(qū)和局部剪切帶。局部剪切帶中的材料隨著應(yīng)變的增加,經(jīng)歷了嚴(yán)重的塑性變形,其中的晶體發(fā)生了偏轉(zhuǎn)、扭曲,最后試件沿剪切面發(fā)生了韌性斷裂,并且局部剪切帶的寬度隨著應(yīng)變率的增加而逐漸減小(圖5 d)至f))。當(dāng)應(yīng)變率大于1.20×105s-1時(shí),局部剪切帶內(nèi)的塑性變形區(qū)域減小,非塑性變形區(qū)域增大(圖5 g)至i))。局部剪切帶隨應(yīng)變速率的增加而逐漸消失,從而試樣的斷裂類型由韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔选?/p>

斷裂應(yīng)變能反映材料的塑性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的金相圖和公式(2)計(jì)算純鐵DT8的斷裂應(yīng)變。

靜脈留置針的應(yīng)用能有效地滿足及時(shí)輸液、搶救的需要［1］;提高了工作效率，同時(shí)減輕患者的痛苦和護(hù)士的工作量，是一種安全、有效的輸液途徑，特別適合老年輸液患者。但在臨床應(yīng)用中常因患者缺乏自我管理知識造成靜脈炎、堵管、滲漏和意外脫管等并發(fā)癥而致留置失敗。通過對150例使用靜脈留置針的老年患者進(jìn)行自我管理教育，取得滿意效果，現(xiàn)報(bào)道如下。

εf=cotθ1+cotθ2。

(2)

式中,εf為斷裂應(yīng)變；θ1,θ2分別為均勻變形區(qū)和局部剪切帶內(nèi)變形晶體流線的偏轉(zhuǎn)角(圖5 e))。

圖6展示了DT8純鐵在不同應(yīng)變率下的斷裂應(yīng)變。結(jié)果表明,在3.30×10-3～8.00×103s-1的應(yīng)變率范圍內(nèi),試件處于等溫變形階段,斷裂應(yīng)變約為2。在8.00×103～1.74×105s-1的應(yīng)變速率范圍內(nèi),試件處于絕熱變形階段,隨著應(yīng)變速率的增加,出現(xiàn)局部剪切帶和絕熱剪切變形。局部剪切帶中的高熱增加了變形材料的斷裂應(yīng)變,在8.00×104s-1的應(yīng)變速率下達(dá)到最大值3.63。當(dāng)應(yīng)變率超過1.74×105s-1時(shí),試件處于聲速變形階段,局部剪切帶逐漸消失,斷裂應(yīng)變開始迅速減小。在應(yīng)變速率為2.50×105s-1時(shí),斷裂應(yīng)變降至1。

圖6 應(yīng)變率與斷裂應(yīng)變的變化關(guān)系

注:a)等溫變形；b)絕熱變形；c)聲速變形

3 在不同應(yīng)變率下的斷裂模式

3.1 等溫?cái)嗔?/h3>

圖8展示了應(yīng)變率分別為3.30×10-3s-1、1.75×102s-1和1.55×103s-1時(shí)試件的斷口形貌。如圖8 a)所示,在低應(yīng)變率(3.30×10-3s-1)下的拉伸斷裂導(dǎo)致試件形成了狹窄的斷口和剪切唇。斷口存在三種形態(tài)不同的區(qū)域:I蛇形滑移區(qū)(圖8 a1))、II韌窩區(qū)(圖8 a2))和III漣波花樣區(qū)(圖8 a3))。圖8 b)展示了應(yīng)變率為1.75×102s-1時(shí)試件的斷口形貌,同樣形成了一個狹窄的斷口。斷口附近同樣存在剪切唇。斷口由兩種特征區(qū)組成:I漣波花樣區(qū)(圖8 b1))和II韌窩區(qū)(圖8 b2))。圖8 c)展示了應(yīng)變率為1.55×103s-1時(shí)試件的斷口形貌,其同樣為狹窄的斷口。在狹窄的斷口上同樣存在三種特征形貌區(qū):I延展區(qū)(圖8 c1))、Ⅱ韌窩區(qū)(圖8 c2))和Ⅲ漣波花樣區(qū)(圖8 c3))。在3.30×10-3～1.55×103s-1的應(yīng)變率范圍內(nèi),剪切帶的變形速率較低,斷口上的韌窩主要是剪切-拉伸韌窩為主,隨著應(yīng)變速率的增加,蛇形滑移特征區(qū)逐漸過渡為漣波花樣和延展形貌。

注:a)3.30×10-3 s-1；b)1.75×102 s-1；c)1.55×103 s-1。a1),a2),a3)分別是斷口a)中三種特征形貌區(qū)；b1),b2)分別是斷口b)中兩種特征形貌區(qū)；c1),c2),c3)分別是斷口c)中三種特征形貌區(qū)

圖9顯示了應(yīng)變率為4.00×103s-1時(shí)試件的斷口形貌。在剪切帶的兩側(cè)形成剪切唇(圖9 a))。斷口按其變形特征可分為三種形貌區(qū):I剪切塑性變形區(qū)、II塑性延展區(qū)和III剪切韌窩區(qū)。剪切塑性變形區(qū)(I)是由試件缺口處的表層材料發(fā)生嚴(yán)重扭曲和剪切形成的。如圖9 b)所示,塑性延伸區(qū)(II)主要由表面材料的拉伸和滑移帶控制。圖9 d)和e)分別對剪切韌窩區(qū)域(III)的“2”和“3”位置進(jìn)行了放大觀察,可以看到,大的剪切韌窩中包含有一些小的剪切韌窩,從而形成多層剪切韌窩。在圖9 e)中,可以發(fā)現(xiàn)大量的小剪切韌窩。幾乎每一個剪切韌窩都伴隨著一個韌窩孔洞。對比剪切韌窩區(qū)(III)中3個不同位置處剪切韌窩的變化規(guī)律,可以發(fā)現(xiàn)從“1”位置過渡到“3”位置,剪切韌窩的拉伸長度逐漸降低,并逐漸伴隨的韌窩孔洞的出現(xiàn),剪切韌窩的數(shù)量逐漸增多,斷口形貌逐漸復(fù)雜化。

注:a)宏觀形貌；b),d)和e)分別是a)中相關(guān)區(qū)域的局部放大；c)為b)的局部放大

3.2 絕熱斷裂

圖10展示了應(yīng)變率為5.30×104s-1時(shí)試件的斷口形貌。如圖10 a)所示,剪切帶兩側(cè)形成剪切唇,根據(jù)剪切區(qū)域的變形特征,將斷面劃分為三種變形區(qū):Ⅰ剪切滑移區(qū)、Ⅱ剪切韌窩區(qū)和Ⅲ拉伸韌窩區(qū)。剪切滑移區(qū)(Ⅰ)主要包括材料撕裂、漣波花樣和剪切韌窩等形貌(圖10 c))。在剪切滑移區(qū)(Ⅰ),材料晶體在剪應(yīng)力作用下發(fā)生位錯滑移,導(dǎo)致斷口沿剪應(yīng)力方向發(fā)生撕裂和滑移,形成撕裂和漣波花樣等形貌,并逐漸向剪切韌窩形貌過渡。在圖10 d)中,剪切韌窩區(qū)(Ⅱ)主要是剪切韌窩。斷面上存在一些細(xì)小顆粒,這些小顆粒可能是工件的熔融材料。從圖5中可以發(fā)現(xiàn),在應(yīng)變率為5.30×104s-1時(shí)變形區(qū)域已經(jīng)形成局部剪切帶。由于局部剪切區(qū)域的絕熱溫升,導(dǎo)致斷口表面材料的軟化,從而在斷面形成熔融顆粒(圖10 d))。在圖10 e)中,拉伸韌窩區(qū)(Ⅲ)同樣可以發(fā)現(xiàn)小顆粒和偏轉(zhuǎn)剪切韌窩。

注:a)宏觀形貌；b),d)和e)分別是a)中相關(guān)區(qū)域的局部放大；c)為b)的局部放大

3.3 聲速斷裂

在材料的高速斷裂過程中,當(dāng)試件的變形速率超過材料的聲速當(dāng)量速率時(shí),塑性材料的斷裂應(yīng)變變小,此種斷裂行為在本文中稱為“聲速斷裂”。

圖11展示了應(yīng)變速率為2.50×105s-1時(shí)的斷口形貌。根據(jù)變形特征,斷面可分為兩種斷口形貌區(qū):Ⅰ摩擦滑移區(qū)和Ⅱ剪切韌窩區(qū)(圖11 a))。圖11 b)顯示摩擦滑移區(qū)(Ⅰ)主要由材料的摩擦和滑移帶控制。圖11 c)顯示了斷口形貌區(qū)從摩擦滑移區(qū)(Ⅰ)轉(zhuǎn)變?yōu)榘殡S著修長韌窩帶的剪切韌窩區(qū)(Ⅱ)(圖11 b)和c))。然而,在剪切韌窩區(qū)(Ⅱ)中標(biāo)記為“2”的位置,并不存在修長的韌窩帶,而是出現(xiàn)裂紋和多層橢圓形韌窩等形貌(圖11 d))。如圖11 e)所示,在位置“3”中存在剪切韌窩、撕裂帶和韌窩孔洞等形貌。在剪切韌窩區(qū)(Ⅱ)中,由于較高的應(yīng)變率,斷裂應(yīng)變降低太快,以至于在塑性變形開始后不久,工件就發(fā)生了斷裂,形成準(zhǔn)解理斷口。剪切區(qū)內(nèi)的工件發(fā)生脆性或半脆性斷裂,形成階梯狀裂紋和多層橢圓形韌窩(圖11 d))。

注:a)宏觀形貌；b),d)和e)分別是a)中相關(guān)區(qū)域的局部放大；c)為b)的局部放大

3.4 在不同應(yīng)變率下斷裂的討論

圖12顯示了在3.40 s-1到2.50×105s-1的大應(yīng)變率范圍內(nèi)試件的斷口形貌。如圖12 a)所示,在應(yīng)變速率為3.40 s-1時(shí),斷口形貌主要由梯形滑移帶和小韌窩組成。在圖12 b)中,應(yīng)變率為7.00×102s-1,斷口左右兩側(cè)的形貌都以小剪切韌窩為主,中間位置以拉伸韌窩為主。圖12 c)為應(yīng)變率為4.00×103s-1下獲得的斷口形貌,可發(fā)現(xiàn)剪切韌窩是主要的斷口形貌,并且大的剪切韌窩下包含有許多小的剪切韌窩,形成多層剪切韌窩。如圖12 d)所示,在2.00×104s-1的應(yīng)變速率下,斷面形成修長的剪切韌窩,并伴有小顆粒的出現(xiàn),斷口形貌較為平緩。在圖12 e)中,應(yīng)變率為5.30×104s-1,可以發(fā)現(xiàn)修長韌窩的長度有所降低,小的剪切韌窩出現(xiàn),多層平面剪切韌窩形成,并且在每個韌窩邊界同樣伴隨有小顆粒形貌。圖12 f)表明,在應(yīng)變率為8.03×104s-1時(shí),含有韌窩孔洞的剪切韌窩是主要的斷口形貌。同樣,在1.33×105s-1的應(yīng)變速率下,可以在圖12 g)中觀察到類似的形貌。在圖12 h)中,應(yīng)變率為1.67×105s-1,斷口形貌主要由不同尺寸的剪切韌窩和橢圓韌窩組成。在圖12 i)中,應(yīng)變速率為2.50×105s-1,斷面形成多層橢圓韌窩和裂紋,材料中的硬質(zhì)點(diǎn)可能有助于在斷面形成裂紋[12]和多層橢圓形韌窩。

注:a)3.40 s-1；b)7.00×102 s-1；c)4.00×103 s-1；d)2.00×104 s-1；e)5.30×104 s-1；f)8.03×104 s-1；g)1.33×105 s-1；h)1.67×105 s-1；i)2.50×105 s-1

在不同的應(yīng)變率下,試件變形區(qū)的塑性變形是不同的。在應(yīng)變率低于1.55×103s-1時(shí),應(yīng)變硬化效應(yīng)促進(jìn)了試件晶體的偏轉(zhuǎn),使變形區(qū)的剪切變形轉(zhuǎn)變?yōu)槔熳冃?并在剪切帶發(fā)生頸縮現(xiàn)象后最終斷裂(圖12 a)和b))。在4.00×103～2.50×105s-1的中高應(yīng)變速率范圍內(nèi),隨著應(yīng)變速率的增加,剪切韌窩由多層剪切韌窩向修長剪切韌窩轉(zhuǎn)變(圖12 d)和e))。與應(yīng)變率為4.00×103s-1(圖12 c))下的韌窩相比,應(yīng)變率為2.00×104s-1(圖12 d))和5.30×104s-1(圖12 e))下的韌窩要長得多。在非常高的應(yīng)變率下,約為8.03×104～2.50×105s-1時(shí),斷口出現(xiàn)短而多層的韌窩和裂紋形貌(圖12 f)至i))。隨著應(yīng)變率的提高,韌窩的形貌得以逐步演化,工件材料變得較脆[13]。

根據(jù)不同應(yīng)變率下的斷口形貌,試件的變形及斷裂過程可以通過圖13進(jìn)行示意性地表示。在等溫?cái)嗔?圖13a))中,剪切區(qū)域的變形速率較低,溫度變化較小,熱能均勻分布在剪切區(qū)域。在剪應(yīng)力的緩慢加載下,試件材料中的某些硬質(zhì)點(diǎn)附近形成微孔洞,然后長大并聚集,最后在斷口上形成剪切韌窩。由于應(yīng)變硬化效應(yīng),韌窩不會在試件斷裂之前長時(shí)間被拉伸。在剪應(yīng)力作用下,上下兩個斷面從而形成方向相反的剪切韌窩,試件發(fā)生等溫?cái)嗔?。在絕熱斷裂(圖13 b))中,局部剪切帶在剪切區(qū)域中形成,熱能集中分布在局部剪切帶,材料發(fā)生軟化。因此孔洞在試件斷裂前很長時(shí)間會被拉伸,這使得斷面上的韌窩很長,看起來像橢圓形。在聲速斷裂(圖13 c))中,剪切應(yīng)力足夠高,可以在沒有任何熱能幫助的情況下驅(qū)動位錯穿過所有障礙物,這時(shí)位錯運(yùn)動由阻尼機(jī)制控制。因此,在試件材料失效之前沒有進(jìn)行塑性變形。在阻尼機(jī)制下,剪切區(qū)域以硬質(zhì)點(diǎn)為裂紋源,向四周擴(kuò)展,形成解理臺階,最終形成準(zhǔn)解理斷口[12]。

注:a)等溫變形；b)絕熱變形；c)聲速變形

4 結(jié) 論

本文對純鐵進(jìn)行了應(yīng)變率為3.30×10-3～2.50×105s-1的準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)加載雙切口剪切實(shí)驗(yàn)。對試件變形區(qū)的塑性變形和斷裂行為進(jìn)行了觀察和分析。討論了不同應(yīng)變速率下的變形熱和斷裂機(jī)理。主要結(jié)論如下:

1)應(yīng)變率對純鐵試件的塑性變形和斷裂行為有顯著影響。變形區(qū)材料在變形熱和斷裂行為方面,隨著應(yīng)變率的增加,經(jīng)歷了三種不同的變形和斷裂模式:等溫變形/斷裂、絕熱變形/斷裂和聲速變形/斷裂。

2)應(yīng)變率低于8.00×103s-1時(shí),剪切區(qū)域的變形速度很低,剪切區(qū)域內(nèi)的塑性變形是等溫的,并且變形熱在剪切帶內(nèi)均勻分布。當(dāng)應(yīng)變足夠高時(shí),剪切區(qū)域發(fā)生頸縮現(xiàn)象,然后試件形成拉伸斷裂。斷裂應(yīng)變隨應(yīng)變率的增加而緩慢增大。

4)當(dāng)應(yīng)變速率大于1.74×105s-1時(shí),工件材料失效前不發(fā)生塑性變形,導(dǎo)致局部剪切帶逐漸消失,斷裂應(yīng)變急劇下降。在發(fā)生較小的塑性應(yīng)變不久后便出現(xiàn)裂紋,并且包含有多層橢圓韌窩的準(zhǔn)解理斷面形成。