李雪梅，俞宇穎，胡昌明，張祖根，彭建祥，王 為

(中國工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽 621999)

釩具有熔點(diǎn)高、延展性好、高溫強(qiáng)度高的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航天、醫(yī)藥等領(lǐng)域，是鐵、鈦等多種合金材料的重要添加元素。同時(shí)，由于具有中子輻照活性低、抗輻照腫脹能力強(qiáng)、與液態(tài)金屬鋰相容性好的優(yōu)點(diǎn)，純釩是國際熱核聚變反應(yīng)堆第一壁的重要候選結(jié)構(gòu)材料[1-2]。

已有的靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)研究表明，純釩的力學(xué)性能強(qiáng)烈依賴于材料純度和制備方法，初始微結(jié)構(gòu)差異對其屈服強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度和斷裂韌性等力學(xué)性能具有重要影響[2-7]。同時(shí)，材料的力學(xué)特性往往與加載壓力和加載應(yīng)變率密切相關(guān)，而當(dāng)前對純釩動(dòng)態(tài)沖擊性能的研究較少，且以低壓沖擊下的流動(dòng)特性[8-12]、高壓沖擊相變[13-14]為主。近幾年來，高應(yīng)變率下純釩的變形和動(dòng)態(tài)斷裂已引起學(xué)術(shù)界的重點(diǎn)關(guān)注。例如，Zaretsky等[15]、Kanel等[16]針對純釩在平板沖擊和斜波加載下的彈性波衰減特性開展了實(shí)驗(yàn)研究，分析了溫度對純釩屈服強(qiáng)度和層裂強(qiáng)度的影響；Saveleva等[17]采用化爆加載分析了純釩的彈塑性衰減特性及層裂斷裂對應(yīng)變率的依賴性；Ashitkav等[18]則利用超短激光脈沖研究了高應(yīng)變率下純釩的損傷斷裂。上述研究為純釩在動(dòng)壓高應(yīng)變率環(huán)境下的應(yīng)用提供了重要依據(jù)，但缺乏不同材料制備方法下純釩的高應(yīng)變率響應(yīng)特性的比較研究。

本文中，以熱等靜壓法(hot isostatic pressing, HIP)制備的國產(chǎn)純釩為研究對象，采用一維平板撞擊技術(shù)和激光干涉測速技術(shù)對沖擊加載下純釩的動(dòng)態(tài)拉伸斷裂開展實(shí)驗(yàn)研究，分析加工工藝、應(yīng)變率對純釩動(dòng)態(tài)拉伸斷裂的影響；此外，通過對彈塑性加載速度剖面的分析，給出純釩彈性前驅(qū)波的衰減規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)原理及材料參數(shù)

實(shí)驗(yàn)原理見圖1，以?100 mm口徑的一級輕氣炮為加載平臺(tái)，采用對稱碰靶方式，使純釩飛片以預(yù)定的彈速撞擊純釩樣品，在飛片和樣品內(nèi)分別產(chǎn)生左行和右行彈塑性加載波。它們分別到達(dá)飛片后界面和樣品自由面后，經(jīng)反射在樣品內(nèi)產(chǎn)生相向傳播的兩簇中心稀疏波，兩者在樣品內(nèi)相遇后產(chǎn)生拉應(yīng)力區(qū)。當(dāng)拉伸應(yīng)力幅值足夠大，則樣品將發(fā)生層裂，并在層裂斷面處形成新的自由面，使樣品自由面速度發(fā)生回跳，形成回跳層裂信號(hào)。利用激光干涉測速技術(shù)DISAR(displacement interferometer system of any reflector)[19]監(jiān)測彈速和純釩樣品的自由面速度歷史，便可以獲得純釩的層裂強(qiáng)度和沖擊Hugoniot參數(shù)，分析純釩的彈性波衰減效應(yīng)。

純釩試樣與文獻(xiàn)[13-14]中的為同批次，采用粉末冶金工藝，由熱等靜壓法(HIP)制備而成(以下簡稱HIP純釩)，其平均晶粒尺寸小于70m，純度為99.93 %，主要雜質(zhì)成分及含量見表1。純釩的密度為6.104 g/cm3，實(shí)測零壓縱波聲速和剪切波速分別為cL=6.053 km/s和cs=2.770 km/s，由此得到其零壓體波聲速cb=5.139 km/s，泊松比ν=0.364。實(shí)驗(yàn)采用兩種不同的飛片厚度，以分析不同拉伸應(yīng)變率對純釩層裂強(qiáng)度的影響。

圖1 層裂實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)原理Fig.1 Schematic of the experimental configuration

雜質(zhì)元素a)CNOAlFeCrSi質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%0.00520.00260.0200.016<0.005<0.0050.018

注：a) 除Al和Si外，其余雜質(zhì)含量均優(yōu)于GB4310-84?釩?中V-1牌號(hào)熔煉釩的指標(biāo)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)和主要結(jié)果

表2 純釩對稱碰撞層裂實(shí)驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果Table 2 Summary of experimental parameters

注：a)括號(hào)內(nèi)的值為不考慮回跳速度修正得到的層裂強(qiáng)度。

圖2為HIP純釩的自由面速度剖面測量結(jié)果匯總。由圖2可以看出：在加載段，波剖面具有典型的彈性波-塑性波雙波結(jié)構(gòu)；在卸載段，由兩相向傳播的稀疏波相互作用引起的層裂回跳信號(hào)特征明顯。

圖2 純釩的自由面速度剖面匯總Fig.2 Measured free-surface velocity profiles of HIP vanadium at different impact velocities

2.2 純釩的動(dòng)態(tài)拉伸斷裂特性

利用圖2所示的自由面速度剖面數(shù)據(jù), 便可以計(jì)算純釩的層裂強(qiáng)度σsp。由于平板撞擊下加載波為梯形脈沖，樣品和層裂片內(nèi)的彈塑性波及其相互作用將導(dǎo)致速度剖面畸變，使得由σsp=ρ0cbΔufs/2計(jì)算得到的層裂強(qiáng)度偏離真值。為此，本文采用下式給出的層裂強(qiáng)度公式計(jì)算σsp，以計(jì)入材料彈塑性特性效應(yīng)引入的回跳速度修正[21]：

(1)

層裂強(qiáng)度σsp對應(yīng)的平均拉伸應(yīng)變率為：

(2)

圖3 HIP純釩層裂強(qiáng)度隨加載壓力和應(yīng)變率的變化關(guān)系Fig.3 The dependence of spall strength for vanadiumon shock pressure and tensile strain rate

圖4 不同實(shí)驗(yàn)給出的純釩層裂強(qiáng)度比較Fig.4 Comparison of spall strengths obtainedby different experiments for pure vanadium

從表2可以看出，在一維平面沖擊加載下，國產(chǎn)HIP純釩具有較強(qiáng)的抗拉伸斷裂能力，計(jì)入材料彈塑性特性導(dǎo)致速度剖面畸變引入的速度修正時(shí)，其層裂強(qiáng)度高達(dá)4.0～5.3 GPa。同時(shí)，純釩的層裂強(qiáng)度對沖擊壓力和拉伸應(yīng)變率均比較敏感。從實(shí)驗(yàn)No.1～No.3的結(jié)果來看，在平均拉伸應(yīng)變率變化不大的情況下，沖擊壓力從5.2 GPa升高到8.6 GPa時(shí)，純釩的層裂強(qiáng)度升高了1 GPa；而比較實(shí)驗(yàn)No.3和No.4發(fā)現(xiàn)，雖然沖擊壓力十分接近，但當(dāng)拉伸應(yīng)變率從0.66×105s-1升高到1.19×105s-1時(shí)，純釩的層裂強(qiáng)度也升高了0.3 GPa。本文HIP純釩層裂強(qiáng)度對壓力和應(yīng)變率的依賴關(guān)系見圖3。純釩層裂強(qiáng)度對應(yīng)變率的依賴性在文獻(xiàn)[15]和[17]中也有報(bào)道。這兩篇文獻(xiàn)采用與本文相同的層裂強(qiáng)度計(jì)算方法，前者在1.5×105～5.1×105s-1(平板沖擊加載)應(yīng)變率下得到的純釩層裂強(qiáng)度在2.6～3.9 GPa范圍，后者在～107s-1(化爆加載)應(yīng)變率下得到的層裂強(qiáng)度升高至～6.4 GPa，高應(yīng)變率的影響更明顯。圖4直觀地給出了不同應(yīng)變率實(shí)驗(yàn)下純釩的層裂強(qiáng)度匯總。

此外，從圖4可以看出，在相近加載條件下(平板沖擊)，本文HIP純釩的層裂強(qiáng)度明顯高于Zaretsky等[15]給出的熔煉純釩實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在～105s-1應(yīng)變率下平均相差～1.3 GPa。上述差別的原因可以歸結(jié)于不同加工工藝下材料初始缺陷的差異。一方面，圖2中較光滑的速度回跳信號(hào)顯示出純釩韌性斷裂的典型特征，其損傷演化是在拉伸脈沖作用下孔洞成核、長大和聚合的過程。另一方面，與熔煉法純釩相比，本文中采用HIP法制備的純釩純度較高(>99.93%)，晶粒較細(xì)(晶粒大小<70m)，組織更均勻，釩基體晶界結(jié)合更緊密，影響其力學(xué)性能的內(nèi)缺陷(特別是晶間孔隙)更少。上述原因使得HIP純釩損傷成核較困難，導(dǎo)致其抗動(dòng)態(tài)拉伸斷裂的能力更強(qiáng)。

總體看來，HIP純釩具有較強(qiáng)的抗動(dòng)態(tài)拉伸斷裂能力，其層裂強(qiáng)度對沖擊壓力和拉伸應(yīng)變率均比較敏感。

2.3 純釩的彈性波衰減特性

圖6 純釩的Hugoniot彈性極限隨樣品厚度的衰減規(guī)律Fig.6 Decay of elastic wave with sample thickness for pure vanadium

為了更好地分析純釩的彈性波衰減特性，圖6給出了Hugoniot彈性極限隨樣品厚度變化的現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總。初步看來，盡管s材料制備工藝不同，但本文中所得到的3、6 mm厚HIP純釩樣品的Hugoniot彈性極限與文獻(xiàn)[15]和[20]中給出的2.5～5.0 mm范圍內(nèi)的熔煉純帆實(shí)驗(yàn)結(jié)果整體趨勢一致，材料制備工藝對純釩Hugoniot彈性極限的影響并不明顯。

從圖6可以看出，純釩的彈性前驅(qū)波幅值σHEL在樣品厚度低于2 mm時(shí)的衰減較顯著；當(dāng)樣品厚度大于2 mm后，樣品厚度對σHEL的影響逐漸減弱，至hs>6 mm后趨于穩(wěn)定。對圖6中的全部實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用指數(shù)衰減函數(shù)進(jìn)行擬合，得到其最佳擬合方程為：

σHEL=3.246(hs/h0)-0.386hs≤6 mm

(3)

式中：h0為單位長度。為便于比較，圖6中同時(shí)給出了Zaretsky等[15]由0.25 mm≤hs≤2 mm范圍內(nèi)的純釩實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的對數(shù)衰減曲線,σHEL=3.2-1.74 ln(hs/h0)。由圖6可以看出，兩種擬合曲線在hs≤2 mm內(nèi)基本一致；本文中給出的指數(shù)衰減函數(shù)式(3)對于0 mm≤hs≤6 mm范圍內(nèi)純釩的彈性波衰減特性均可以較好地進(jìn)行描述；而Zaretsky等[15]給出的對數(shù)衰減函數(shù)僅能描述2 mm厚度范圍內(nèi)純釩彈性波幅度的快速松弛，隨著樣品厚度的增大，該曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏離越來越大，使用時(shí)需要謹(jǐn)慎。

3 結(jié) 論

純釩的動(dòng)態(tài)沖擊響應(yīng)特性與材料加工工藝密切相關(guān)。本文中采用平板沖擊加載技術(shù)，實(shí)驗(yàn)獲得了國產(chǎn)熱等靜壓(HIP)純釩在沖擊壓力5.2～9.0 GPa、拉伸應(yīng)變率0.47×105～1.19×105s-1的層裂強(qiáng)度, 并對其彈性波衰減特性進(jìn)行了分析。主要結(jié)論如下：

(1)國產(chǎn)HIP純釩具有較強(qiáng)的抗動(dòng)態(tài)拉伸斷裂能力，一維平板加載下其層裂強(qiáng)度位于4.0～5.3 GPa范圍，明顯高于相似加載條件下文獻(xiàn)給出的熔煉釩實(shí)驗(yàn)結(jié)果。分析認(rèn)為這與熱等靜壓加工工藝下純釩雜質(zhì)含量低、內(nèi)缺陷(特別是晶間孔隙)較小、釩基體晶界結(jié)合更為緊密有關(guān)；

(2)純釩層裂強(qiáng)度對沖擊壓力和拉伸應(yīng)變率均比較敏感。沖擊壓力從5.2 GPa升高到8.6 GPa時(shí)，純釩的層裂強(qiáng)度升高了1 GPa；而在相近壓力下，當(dāng)拉伸應(yīng)變率從0.66×105s-1升高到1.19×105s-1時(shí)，純釩的層裂強(qiáng)度也升高了0.3 GPa。隨著應(yīng)變率的升高，純釩層裂強(qiáng)度對應(yīng)變率的依賴性更顯著；

(3)純釩的彈性波幅值隨樣品厚度增大而逐漸衰減。在6 mm樣品厚度范圍，其雨貢紐彈性極限σHEL隨樣品厚度hs的衰減規(guī)律可采用指數(shù)函數(shù)σHEL=3.246 (hs/h0)-0.386較好地近似，其中h0為單位長度。