純鐵材料沖擊相變與層裂行為研究

純鐵材料沖擊相變與層裂行為研究

1稀疏沖擊行為近年來，純鐵和鐵基材料的影響和變質(zhì)變化很大，成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。1972年,L.M.Barker等對純鐵的相變層裂特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究;1999年,L.R.Veeser等在文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,利用帶窗的加載技術(shù),研究了純鐵材料的沖擊加卸載歷程,引入了稀疏沖擊波的概念;2003～2005年,C.Voltz等指出,純鐵材料的層裂行為可能與沖擊相變行為存在某種關(guān)聯(lián)。2007年,張興華等在FeMnNi合金的沖擊加載實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了2次層裂和淺表層裂現(xiàn)象,指出該現(xiàn)象可能與沖擊相變有關(guān)。以上研究關(guān)注的焦點(diǎn)主要集中在沖擊相變與層裂行為的關(guān)聯(lián)上。然而,這些研究基本上為非等厚或非對稱加載,樣品中應(yīng)力波的傳播作用過程相當(dāng)復(fù)雜,不利于分析沖擊相變與層裂行為的關(guān)聯(lián)機(jī)理。本文中擬開展等厚對稱加載實(shí)驗(yàn),利用飛片和樣品中應(yīng)力波沿撞擊面對稱,樣品中應(yīng)力波作用過程相對簡單的優(yōu)勢,參照文獻(xiàn)的部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果,揭示沖擊相變與層裂的關(guān)聯(lián)機(jī)理。2壓力和速度在?100mm的一級(jí)輕氣炮上進(jìn)行了2發(fā)等厚對稱碰撞實(shí)驗(yàn)(圖1)。飛片和樣品均為純鐵材料,尺寸均為?95mm×6.28mm。實(shí)驗(yàn)1的沖擊速度為455m/s,加載壓力約8.9GPa。實(shí)驗(yàn)2的沖擊速度為848m/s,加載壓力約17.5GPa。實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2的沖擊加載壓力分別低于和高于純鐵材料的相變閾值,雙靈敏度VISAR(100m/s和250m/s)記錄樣品自由面速度剖面,“軟回收”裝置回收受試樣品,宏觀觀測和細(xì)觀表征回收樣品,研究純鐵材料的沖擊相變和層裂行為特征。利用文獻(xiàn)中帶藍(lán)寶石窗口加載實(shí)驗(yàn)獲得的純鐵材料的沖擊加卸載歷程,從應(yīng)力波相互作用的角度分析等厚對稱碰撞實(shí)驗(yàn)中純鐵樣品層裂形成的原因,揭示沖擊相變對層裂行為影響的物理機(jī)制。實(shí)驗(yàn)用純鐵材料與文獻(xiàn)中研究的純鐵材料成分基本相同,原始微觀組織均為α相。純鐵材料的狀態(tài)方程參數(shù)為ρ0=7.85g/cm3,c0=4.63km/s,λ=1.33。藍(lán)寶石的狀態(tài)方程參數(shù)為ρ0=3.95g/cm3,c0=11.90km/s,λ=1.0。3樣品層裂試驗(yàn)結(jié)果VISAR記錄的純鐵樣品自由面速度剖面如圖2所示。實(shí)驗(yàn)1沖擊加載壓力約8.9GPa,小于純鐵材料沖擊相變閾值13GPa,加載段呈現(xiàn)彈性波、塑性波2波結(jié)構(gòu),純鐵樣品無沖擊相變行為。實(shí)驗(yàn)2沖擊加載壓力極值約17.5GPa,大于純鐵材料沖擊相變閾值13GPa,加載過程中樣品發(fā)生α→ε相轉(zhuǎn)變,加載段呈現(xiàn)彈性波E、塑性波P1、與塑性波反射稀疏波相互作用后的剩余相變波P2,以及剩余相變波在α和ε相界發(fā)射的壓縮波PIR,樣品中應(yīng)力波結(jié)構(gòu)如圖3所示。純鐵樣品的沖擊相變閾值由沖擊間斷方程得到,具體計(jì)算時(shí)作如下假設(shè):(1)近似認(rèn)為自由面速度為材料內(nèi)部粒子速度的2倍;(2)由于彈性波幅值相對較低,忽略彈性波的影響。沖擊波間斷方程為Δσ=ρ0DΔup(1)Δσ=ρ0DΔup(1)式中:Δσ和Δup分別為沖擊波前后的應(yīng)力和粒子速度的改變,ρ0為純鐵樣品初始密度,計(jì)算得到純鐵樣品沖擊相變閾值σ=12.9GPa,與文獻(xiàn)中的13GPa吻合。層裂片厚度δ=c0T/2(2)δ=c0Τ/2(2)式中:c0=4.63km/s,T為自由面速度剖面卸載段振蕩周期,實(shí)驗(yàn)1自由面速度剖面卸載段振蕩周期T=2.7μs,實(shí)驗(yàn)2自由面速度剖面卸載段振蕩周期T=0.87μs。由式(2)計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)1中樣品層裂片厚度δ=6.26mm,與樣品初始厚度基本一致,說明樣品沒有發(fā)生層裂行為。實(shí)驗(yàn)2中純鐵樣品層裂片厚度δ=2.02mm。層裂強(qiáng)度σs=ρ0c0Δus/2(3)σs=ρ0c0Δus/2(3)式中:速度差Δus=74.84m/s。由式(3)計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)2中純鐵樣品層裂強(qiáng)度σs=1.36GPa?；厥占冭F樣品宏觀形貌見圖4。實(shí)驗(yàn)1中回收樣品撞擊面與自由面完整,說明純鐵樣品無層裂,與自由面速度剖面波形分析結(jié)果一致。實(shí)驗(yàn)2回收樣品發(fā)生2次層裂,靠近自由面的層裂片厚度約2mm,與自由速度剖面波形分析結(jié)果(2.02mm)一致;距撞擊面約2mm處存在微裂紋,樣品在此處發(fā)生不完全層裂。采用X射線衍射和金相處理技術(shù)對回收樣品的微觀結(jié)構(gòu)組織進(jìn)行了分析,X射線衍射結(jié)果見圖5,金相分析結(jié)果見圖6。其中,圖6(a)、(b)、(c)分別為未加載樣品、實(shí)驗(yàn)1回收樣品、實(shí)驗(yàn)2回收樣品的金相組織結(jié)構(gòu)。分析圖5中X射線衍射結(jié)果發(fā)現(xiàn),經(jīng)歷沖擊加卸載后回收樣品的細(xì)觀組織與初始結(jié)構(gòu)相同,均為α相。分析圖6(b)實(shí)驗(yàn)1回收樣品金相組織發(fā)現(xiàn),由于沖擊加卸載過程中材料的剪切效應(yīng),樣品金相組織中存在少量孿晶和滑移變形,但相組織仍為α相。分析圖6(c)回收樣品金相組織發(fā)現(xiàn),樣品金相組織中存在著大量孿晶和滑移變形(部分孿晶是由于沖擊剪切產(chǎn)生,部分孿晶為透鏡片狀馬氏體,與樣品經(jīng)歷了α?ε相變過程有關(guān)),但相組織均為α相。與VISAR記錄實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2中樣品自由面速度剖面分析結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)1中純鐵樣品在加載過程中無相變行為發(fā)生;實(shí)驗(yàn)2中純鐵樣品在沖擊加載過程中發(fā)生了α→ε相轉(zhuǎn)變,但高壓ε相極其不穩(wěn)定,在卸載過程中發(fā)生了ε→α逆轉(zhuǎn)變行為。文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)為藍(lán)寶石飛片/純鐵樣品/藍(lán)寶石窗,加載壓力為16.3GPa,大于純鐵相變閾值13GPa,樣品與窗口界面速度如圖7所示。飛片/樣品/窗口中應(yīng)力波傳播作用過程見圖8(彈性波幅值較小,分析中忽略其影響)。飛片與樣品碰撞瞬間,純鐵樣品發(fā)生α→ε相變,樣品中產(chǎn)生右行沖擊波,飛片中左行沖擊波在后自由面反射右行中心稀疏波傳入樣品時(shí),樣品內(nèi)壓力降低,樣品發(fā)生ε→α逆相變(與實(shí)驗(yàn)2中加載過程中純鐵樣品發(fā)生α→ε相變,卸載過程中樣品發(fā)生ε→α逆轉(zhuǎn)變分析結(jié)果吻合),形成稀疏沖擊波RS。4逆變性和應(yīng)力波傳播作用對于等厚對稱加載實(shí)驗(yàn)1,由于沖擊加載壓力小于純鐵材料相變閾值,純鐵材料沒有發(fā)生沖擊相變,稀疏波在飛片與樣品撞擊面上相遇(彈性波幅值相對較小,忽略其影響),樣品不可能發(fā)生層裂行為。對于等厚對稱加載實(shí)驗(yàn)2,沖擊加載壓力大于純鐵材料相變閾值,加載過程中純鐵樣品發(fā)生了α→ε相轉(zhuǎn)變,卸載過程中純鐵樣品發(fā)生了ε→α逆相變,并引發(fā)形成了稀疏沖擊波RS。樣品中應(yīng)力波傳播作用過程如圖9所示(彈性波幅值相對較小,分析中忽略其影響),圖中x0=6.28mm。樣品中應(yīng)力-粒子速度關(guān)系示意圖見圖10。飛片后界面反射形成稀疏沖擊波與逆相變引發(fā)稀疏沖擊波RS在樣品中相互作用形成1次層裂(8區(qū),靠近撞擊面的層裂)。相變波P2與塑性波P1在樣品自由面反射稀疏波R1相互作用后繼續(xù)向右傳播,在樣品自由面反射形成稀疏波R2,與經(jīng)過第1個(gè)層裂面的右行稀疏波在樣品內(nèi)相遇并相互作用,導(dǎo)致純鐵樣品發(fā)生2次層裂(9區(qū),靠近自由面的層裂)。圖10的應(yīng)力-粒子速度關(guān)系表明,靠近自由面拉伸區(qū)的拉伸應(yīng)力大于靠近撞擊面拉伸區(qū)的拉伸應(yīng)力,與回收樣品觀測到的靠近自由面形成完全層裂、靠近撞擊面處形成微裂紋的結(jié)果吻合,說明樣品中應(yīng)力波系的分析正確可靠。5等厚對稱碰撞純鐵材料(1)沖擊加載壓力小于純鐵