第二相对铅黄铜动态损伤的影响

杨 扬，陈星至，胡海波，付亚楠

（1.中南大学材料科学与工程学院，湖南长沙 410083；2.中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理实验室,四川绵阳 621900；3.中国科学院上海应用物理研究所，上海201800）

第二相对铅黄铜动态损伤的影响

杨 扬1，2，陈星至1，胡海波2，付亚楠3

（1.中南大学材料科学与工程学院，湖南长沙 410083；2.中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理实验室,四川绵阳 621900；3.中国科学院上海应用物理研究所，上海201800）

利用一级轻气炮加载，研究了两种不同处理状态下HPb63-3铅黄铜的层裂现象并通过金相显微镜（OM）和X射线断层扫描（XRCT）技术，探讨了第二相铅相对铅黄铜的层裂损伤的影响规律与机制。结果表明：再结晶退火和深冷处理都能够促进铅相的析出与会聚，但是深冷处理相比较于再结晶退火而言，更能够显著改变黄铜中铅相的含量与大小。

层裂；一级轻气炮；X射线断层扫描技术；铅黄铜

0 前言

层裂是金属材料在冲击载荷作用下的一种重要失效模式，延性金属材料的层裂损伤演变通常包括微孔洞的形核、长大、贯通等过程[1～2]。金属材料的层裂破坏研究方向，随着现代工程应用的需求，越来越多的转向对多相合金、复合材料等材料的研究。多相合金是基体中具有多种相组织的合金材料，各相的晶格结构、成分含量、性能等均相异，但正是如此，使其具有单相金属所不能比拟的优异性能。

多相合金的断裂研究具有很大的工程应用价值，在准静态加载下的失效现象已经得到了广泛的研究[3～4]。动态加载下，对单相金属动态断裂的研究已经比较成熟，研究人员普遍认为，除了加载方式、载荷条件等外部因素以外，材料微观结构是其主要的影响因素，如晶粒尺寸、晶界、夹杂[5]等。对于多相材料的研究，许多文献都是研究第二相对多相材料层裂强度、损伤程度、冲击性能等的影响[6～8]。但是，对于多相合金材料内部第二相粒子的含量和分布位置对层裂微孔洞形核与长大的影响的深入研究则很少。

因此，本文利用多普勒探针测速系统（DPS）、同步辐射三维X射线断层摄影技术（XRCT）、扫描电镜（SEM）及金相统计观测等二维实验观测数据，实现在多维度、多尺度上对铅黄铜层裂损伤演变过程进行实验观测，探讨了第二相铅的存在对铅黄铜层裂的微孔洞形核的影响规律与机制。

1 实验方法

1.1 材料

为了探究低阻抗第二相对多相合金动态加载下的影响规律，本文试验材料选择HPb63-3铅黄铜（C36000）。HPb63-3合金是基体为(α+β)双相的铅黄铜，就其成分而言，Cu含量约占63%，Zn约为34%，剩下的约3%为Pb。其中，低阻抗的铅几乎不固溶于铜锌二元合金，而是以游离质点的状态弥散地分布在黄铜α、β相基体中，以及α/β相界上。这些晶界处未溶的铅给铅黄铜带来了优异的润滑和耐磨性能，其零件机械加工表面精度也很高。

由于本文研究的是第二相铅粒子对多相合金层裂的微孔洞形核的影响，为提高铅相的组分，对原始铅黄铜样品采用以下处理方式：1#材料：经过650℃真空炉中保温1h后空冷。2#材料：同样经650℃真空炉中保温1h空冷后，在-196℃液氮中深冷处理24h[9]，随后室温下回温。1#、2#材料的对比分析：由于经过相同温度的退火处理后，两种样品晶粒尺寸基本相同，这就控制只有第二相相含量不同的单一变量。

1.2 一级轻气炮试验

本实验加载方式采用平板撞击加载，一级轻气炮加载试验在中国工程物理院（CAEP）执行。氢气炮口径为100mm，采用对称碰撞方式，两种样品飞片尺寸均为ϕ90mm×3mm，样品尺寸均为ϕ40mm×6mm，加载速度均为100m/s。本实验采用以一撞二形式，保证在同一飞片同一速度下，两种样品受到相同程度的冲击载荷。最终为避免回收样品受到第二次损伤，采用软回收方式获得试样。并通过安装在试样自由面的DPS探头，获得试样自由面的速度时间曲线[10～11]。

一级轻气炮加载时靶板中冲击压力的计算公式为:

式中，σp为冲击压力（GPa）； ρ0为铅黄铜的密度，取8.5 g/cm3；c0、s为Gruneisen状态方程参数，分别取3.97mm/μs和1.478； u为波后粒子速度，为简化计算，假定惰性材料等熵膨胀规律可以用冲击绝热线近似，从而u大小取自由面速度第一次达到峰值时速度的一半，取50m/s。估算得到的轻气炮加载试验，两种试样的冲击压力约为1.7GPa。

1.3 金相、X射线断层摄影分析

为了研究层裂损伤的位置分布等信息，对软回收试样进行金相分析。将实验回收到的铅黄铜样品沿冲击方向进行对称线切割后（如图1），取其一半进行金相制样，按照标准制样方式进行金相制样，并进行金相观测，得到金相图。

图1 样品取样位置

由于本研究使用材料为铅黄铜，加载过后的样品在金相观察时，游离铅的存在有可能干扰观测孔洞，因为铅粒子与孔洞在金相下都是显示为黑色。为此，本文利用X射线断层摄影技术来区分孔洞与第二相铅的分布位置。

X射线断层摄影技术（XRCT）是目前唯一一种可以直接观测材料内部影像的无损探测技术。本实验选择在上海光源（SSRF）BLl3W1光束线站进行。沿冲击方向取样，试验样品尺寸选择为0.5mm×0.5mm×6mm。实验中所用光子的能量为47keV，探测器选用2048×2048像素的高分辨率探测器。像素尺寸选为0.65μm。试样距离CCD的距离选择为10cm。实验数据利用PITRE软件将CT照片组合在一块，以对试样进行重构。利用Amria5.4软件对图片进行三维重建。

2 结果与讨论

2.1 热处理对第二相析出的影响

将热处理后的1#与深冷处理后的2#样品经过磨样、抛光、彩色腐蚀后，在金相显微镜下观察，如图2所示。图2（b）、（c）彩色腐蚀显示的不同颜色是由不同晶粒位相差所致。

图2 冲击加载前样品金相图

利用image pro plus（IPP）软件统计金相区域内游离的黑色铅相含量与尺寸，结果如表1所示。可知2#样品中Pb相尺寸明显变大，但两种处理后样品整体平均晶粒大小基本相同。

表1 冲击前不同状态样品内各相含量与尺寸统计

这是由于铅在黄铜中的溶解度极小，在α相中约为0.03%，在β相中约为0.3%。铅黄铜在650℃高温下Pb晶体首先处于熔融状态（熔点327.502℃），形成许多小熔池，且1h的保温，熔融状态下临近的细小Pb相熔池汇聚起来，形成较大熔池。同时，由于保温时间较短，溶解度较低的Pb相来不及均匀化溶入基体中，快速空冷到室温时大熔池Pb相得以保持下来。从而热处理之后，Pb相得到大幅度增加（较原始样增加了～78%）。

2#样品经过深冷处理能使铅黄铜退火空冷后组织中的α、β相具有更大的过饱和度与不稳定性[12]。另外，Pb在-196℃液氮中溶解度进一步降低，经过24h长时间的深冷处理保温，基体黄铜中溶入的Pb相慢慢析出。而在随后的空气中回温过程中，升温速度较快，Pb相来不及溶入基体中，使得深冷处理前大颗粒Pb相变得更大。深冷处理后样品Pb相面积百分比较热处理样品增加了～82%。

值得注意的是，在总体铅相面积百分比增大的同时，样品中铅相的数量却减少了，这同样说明经过退火处理、深冷处理后，基体中较小的铅相析出溶入到较大的铅球中。这里1#样较原始样品铅相数量减少幅度较小，可能是退火保温时间只有较短的1h，小铅球无法充分溶入大铅球内。

2.2 自由面速度时间曲线

图3为两种样品材料在约100m/s的飞片撞击速度下所测得的自由面曲线。

图3 自由面速度时间曲线（FSV）图

自由面速度Pullback的幅值(ΔU=Umax-Umin)常被作为预估层裂强度的依据。由于样品内部出现层裂时，稀疏波在层裂区发生反射形成压缩波，两种样品ΔU值见表2。

一般在金属损伤分析中，取决于实际拉伸应力的初始损伤速率值v可以由以下经验公式来表达：

图 3 及公式 （2） 中，1、2分别表示卸载率与再加载率。对于2，是最低点的回跳斜率，在不少关于单相金属以及脆、韧性研究中均显示，速度回弹的速率直接与孔洞长大速率有关，在铜铅多相材料中也是同样的结论[13]。回跳速度斜率值越大，证明其孔洞长大的速率也就越大。1和2的值可由以下公式计算：

表2 自由面速度曲线各特征参数的测量结果

计算得到两种样品层裂强度相差不大，但2#样品要稍高；反映损伤速率的值V，也是两种样品接近，但2#样品值较低；而回跳速度斜率值2，则2#样比1#样要高出～28%，这说明2#样初始层裂强度较高，在同样的加载条件下，较难发生层裂。同时v值低也反映其损伤速率较低，但其孔洞长大的速率要比1#样大许多。

2.3 XRCT三维分析

通过对两种样品进行三维重建，得到图4。在图中白色部分为已知的铅，而彩色部分为一级轻气炮加载所形成的微孔洞（不同颜色代表不同区域孔洞）。比较两张图片可以发现：2#样品中的白色的Pb颗粒明显比1#样品要大。因此验证了在二维金相与SEM图片中所得的结论，即：经过深冷处理后的黄铜，所析出的铅相尺寸更大。

图4 层裂面部分区域三维重建图

通过对两种样品的孔洞三维重构图统计，可以得到表3。

由两种样品的XRCT孔洞数据可知：深冷样与退火样相比，其形核孔洞的数量较少，但其孔洞的平均体积及最大孔洞体积均明显要大。因此验证OM与FSV数据结果，随着铅相数量的增加，孔洞形核的数量、损伤速率也随着增加；孔洞长大速率是随着铅相尺寸的增加而增加的。

3 结论

本文使用铅黄铜为实验材料，其中一个样品进行再结晶退火处理，而另一个样品随后深冷处理，然后同时对两种样品进行一级轻气炮加载，分析了第二相对微孔洞的形核、长大和贯通过程的影响，得到以下结论：

（1）再结晶退火和深冷处理都能够促进Pb相的析出与融汇，但是深冷处理相比较于再结晶退火而言，更能显著改变黄铜中铅相的含量与大小。

（2）在同一加载速度下含铅数量较多、铅尺寸较小的1#样品与含铅数量较少、铅尺寸较大的2#样品相比，提供了更多的形核位置，降低了层裂强度，同时损伤演化速率更大。但铅相尺寸较大，则可以给孔洞提供更大的长大速率。

（3）通过对XRCT三维重构图中微孔洞分布数据的统计分析可知，孔洞的长大速率则是随着Pb相尺寸的增加而增大。表明第二相铅相对微孔洞的形核与长大有促进作用。这也与前面二维统计得到的结果相符。

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Role of Second Phase on Dynamic Damage Nucleation in Leaded Brass

YANG Yang1，2，CHEN Xing-zhi1，HU Hai-bo2，FU Ya-nan3
(1.School of Material Science and Engineering,Central South University,Changsha 410083;2.Institute of Fluid Physics,China Academy of Engineering Physics,Mianyang 621900;3.Shanghai Institute of Applied Physics,Chinese Academy of Sciences，Shanghai 201800,China)

The HPb63-3 leaded brass samples with different treatment conditions were loaded using one stage light gas gun(1.7GPa),and the effect of lead on spallation damage nucleation was investigated by means of optical microscopy and x-ray computer tomography.The results show that precipitation and convergence of Pb phase can be promoted by recrystallization annealing and deep cooling,but the letter can change contents and size of Pb phase more.

spall;one stage light gas gun;x-ray computer tomography;leaded brass

TG146.1+1

A

1005-4898(2017)06-0004-06

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.06.01

资金项目：NSAF联合基金（No.U1330126）；国家自然科学基金（No.51574290、No.51274245）；湖南省自然科学基金(No.14JJ2011)。

杨扬（1963-），男，湖南常德人，博士，教授。

2017-03-21