平板冲击加载下对双相钢动态损伤演变的研究①

杨 扬，王 灿

（1.中南大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙410083；2.中南大学 有色金属材料科学与工程教育部重点实验室，湖南 长沙410083）

层裂是由应力波之间的相互作用使材料发生动态断裂的破坏过程［1］。金属材料层裂损伤的演变通常包括微孔洞的形核、长大、贯通等过程［2－5］。此前的研究都集中在纯金属或者单相合金中的层裂研究［6－9］，而少部分多相合金的研究中都是关于第二相对多相材料层裂强度等的影响［10－11］，目前多相合金层裂损伤演变机制还缺乏系统研究。本文选取双相钢作为研究对象，探究多相合金层裂过程中孔洞形核以及损伤演化的机制。

1 实 验

实验所用材料为分级淬火后的20 钢，其初始组织为铁素体加珠光体组织。为得到2 种不同相组分的双相钢，对20 钢采用2 种不同分级淬火：1＃样品在1 000 ℃保温60 min，随炉冷却至740 ℃，并保温30 min，取出后在冷盐水中淬火；2＃样品在1 000 ℃保温60 min，然后随炉冷却至780 ℃，并保温30 min，取出后在冷盐水中淬火（在冷盐水中淬火是为了加快冷却速度，并防止样品表面产生气泡导致淬火组织不均匀）。

采用一级轻汽炮对热处理后的2 个样品进行动态加载实验，加载实验在西南交通大学开展（采用57 mm口径的轻气炮设备）。为了使2 种样品受同样程度的冲击，本次实验以一击二的形式进行冲击加载，即一个飞片经发射后同时击打到两个样品上。一级轻气炮实验中所用的飞片尺寸为Φ52 mm×2 mm，2 种样品尺寸为Φ20 mm×4 mm，加载速度为250 m／s。同时为避免回收样品受到二次损伤，对冲击后的样品采用软回收方式。通过安装在试样自由面的DPS 探头获得试样自由面速度曲线。图1 为靶板示意图。

图1 靶板示意

为了研究双相钢微观组织形态及其内部层裂损伤的位置分布等信息，对冲击前后的样品进行金相观察。冲击前后的样品用水磨砂纸磨光，然后使用W1.5、W0.5 金刚石研磨膏依次进行抛光处理，最后用4%硝酸酒精溶液进行侵蚀，制得金相试样，观察双相钢内部微观组织。

根据材料动力学理论，材料的冲击阻抗会影响冲击波的传播，从而影响层裂损伤的形核以及发展。材料阻抗可近似用初始密度ρ0和声波速度C0（C0＝为材料杨氏模量，用弹性模量替代）的乘积表示。纳米压痕测试在瑞士CSM 公司生产的UNHT纳米压痕试验机上开展，每个相测试3 个点，得到纳米硬度和弹性模量平均值，计算出铁素体与马氏体两相冲击阻抗值。

2 实验结果及讨论

2.1 热处理对双相钢组织的影响

2 个样品金相图如图2 所示。图中浅色区域为铁素体，深色区域为马氏体。

图2 两种不同热处理后的样品金相图

通过IPP（image pro plus）软件计算得出2 个样品各相含量以及铁素体晶粒尺寸，如表1 所示。

表1 样品各相含量及晶粒尺寸

由表1 可以发现，2＃样品内的马氏体明显多于1＃样品，这是因为低碳20 钢在分级淬火过程中，随着保温温度升高奥氏体的体积分数增加，随后在盐水中淬火时奥氏体转变成马氏体，因此马氏体的含量随着淬火温度升高而增加。

2.2 自由面速度曲线分析

图3 为2 个样品在250 m／s 的飞片撞击下用DPS测速系统所测得的自由面曲线。

图3 自由面速度时间曲线图

2 个样品所受的冲击压力可由下式［4］计算得到：

式中σp为冲击压力，GPa；ρ0为20 钢的密度，取7.85 g／cm3；S 为Gruneisen 状态方程参数，20 钢对应的S 值为1.20［12］；C0为体积声速，取4.607 mm／μs［12］；u 为波后粒子速度，为冲击速度的一半，取125 m／s。通过计算得到2 个样品所受到的冲击压力为4.67 GPa。

层裂强度是动态损伤应力的一种度量，关于层裂强度的计算可以由下式［2］计算得出：

式中σf为层裂强度，GPa；Δu 为自由面速度Pullback的幅值，Δu ＝umax－umin，它常常作为是否发生层裂以及预估层裂强度的重要依据。

计算结果如表2 所示。

表2 自由面速度曲线相关参数计算结果

计算得到1＃样品的层裂强度比2＃样品的小，并且Pullback 幅值表征了损伤成核或起始的条件——成核强度［13］，说明1＃样品更易形成孔洞，这是因为1＃样品中相界面较多，在同一加载速度条件下1＃样品与2＃样品相比，由于相界面对冲击波的反射与透射作用会在高阻抗的相内形核，这也意味着相界面越多，在高阻抗相内产生拉应力并且形成孔洞的几率也越大，因此降低了1＃样品中的层裂强度。

2.3 层裂损伤金相分析

冲击后样品内部层裂损伤分布以及形核位置见图4。图中深色区域为马氏体，浅色区域为铁素体，黑色为孔洞与裂纹。由图4 可以看出，2 个样品中的层裂初期孔洞都形核于马氏体内部，然后孔洞长大贯通形成微裂纹，表现为穿晶断裂。一般而言，准静态加载条件下，由于两相的物理力学性能差异导致在两相的界面上产生应力与应变差异，容易产生应力集中，所以在准静态加载条件下相界面一般是孔洞优先形核长大的位置［14］；但是在动态加载条件下的层裂损伤中，孔洞在马氏体内部形核并且长大贯通形成微裂纹。1＃样品中的裂纹扩展方向基本与冲击方向垂直，而2＃样品中的裂纹没有朝一个方向扩展，这是因为2＃样品中的马氏体内部呈群落状分布，一个马氏体群落由几个原奥氏体晶粒组成，不同奥氏体内部马氏体束的位向不同，因此裂纹扩展被限制在不同的区域，裂纹不容易沿着一个方向扩展。

图4 冲击后样品的显微组织图

2.4 相界面对孔洞形核的影响

对马氏体相以及铁素体相进行纳米压痕实验，得到两相平均压深-载荷的加载、卸载曲线如图5 所示。

图5 各相纳米压痕压深-载荷加载、卸载曲线

通过阻抗值的计算公式可得到各相的冲击阻抗值［4］：

式中C0为声波速度，由前文提到的公式计算得到；ρ0为各相密度，可以根据两相的含碳量计算出两相的相对密度。纳米压痕实验相关参数以及计算结果见表3。

表3 纳米压痕实验数据

由表3 可以看出，马氏体的纳米压痕硬度要高于铁素体，并且马氏体内部冲击阻抗要高于铁素体内部冲击阻抗。根据文献［3］对材料动态力学行为阐述可知，相界面对冲击波具有反射与透射作用，所以冲击波从高阻抗的马氏体内部传入低阻抗的铁素体内部时，会在马氏体内部产生一个拉伸应力，当这个拉升应力达到足够大时，就会在马氏体内部形成孔洞。

3 结 论

1）动态加载条件下，孔洞在马氏体内部形核、长大、贯通形成微裂纹，并且裂纹表现为穿晶断裂。

2）1＃样品中的裂纹扩展方向大部分与冲击方向垂直；而2＃样品中的裂纹没有沿着一个方向扩展，这是因为2＃样品中马氏体内部呈群落状分布，由不同的原奥氏体晶粒组成，不同的原奥氏体内部的马氏体束位向差较大，导致裂纹限制在不同区域，因此裂纹难以朝一个方向扩展。

3）马氏体的阻抗大于铁素体的阻抗。由于相界面对冲击波具有反射与透射作用，冲击波从高阻抗的相传入低阻抗的相内时会在高阻抗相内形成拉伸脉冲，从而引起层裂损伤。因此，层裂损伤过程中孔洞在马氏体内部形核长大、贯通形成微裂纹，最后贯穿整个马氏体。

4）相界面对冲击波具有反射与透射作用，因此，样品中相界面越多，在高阻抗相内产生拉应力并且形成孔洞的几率也越大，样品的层裂强度越低。