李付剛，梁民族，李翔宇，聶錚玥

(國(guó)防科技大學(xué)文理學(xué)院，長(zhǎng)沙 410073)

0 引言

58SiMn鋼是我國(guó)自主研制的一種高破片率、高強(qiáng)度的彈體鋼，它通過(guò)大幅度提高C、Si和Mn的含量，使鋼的強(qiáng)度提高、韌性降低、缺口敏感度增大[1]。跟傳統(tǒng)的炮彈鋼D60相比，58SiMn鋼具有更加優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。

58SiMn鋼作為現(xiàn)役殺爆彈的一種常用彈體外殼材料，其力學(xué)特性與殺爆彈的殺傷威力密切相關(guān)。殺爆彈外殼在爆炸載荷加載下的破裂主要是由于殼體外表的環(huán)向拉伸應(yīng)力造成的[2]，殼體材料的拉伸斷裂特性直接決定了殼體形成殺傷破片的特性。因此，研究58SiMn鋼在不同應(yīng)變率下的拉伸斷裂特性對(duì)于指導(dǎo)殺爆彈設(shè)計(jì)具有重要意義。楊道明等[3]研究了一種鍛造態(tài)58SiMn鋼在高應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。隋樹元等[4]開展了撞擊加載試驗(yàn)，著重研究了58SiMn鋼在應(yīng)變率為103～104s-1范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能參數(shù)隨撞擊時(shí)間的變化歷史。公開文獻(xiàn)對(duì)于榴彈用58SiMn鋼在不同應(yīng)變率下的拉伸斷裂特性缺乏系統(tǒng)的研究。

文中從實(shí)際工程需求出發(fā)，以殺爆彈殼體材料58SiMn鋼為研究對(duì)象，利用材料試驗(yàn)機(jī)和霍普金森拉桿開展了58SiMn鋼的準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)。得到了58SiMn鋼在不同應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，較全面了解了58SiMn鋼在不同應(yīng)變率加載下的力學(xué)特性。通過(guò)進(jìn)一步的掃描電鏡(SEM)試驗(yàn)觀察試樣斷口形貌，得到了58SiMn鋼在不同應(yīng)變率下的失效模式，研究成果可為殺爆彈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供重要參考。

1 準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)試樣

試樣材料為58SiMn合金鋼，利用X射線能譜分析(EDS)局部面掃描的方法檢測(cè)材料的元素含量組成，其化學(xué)成分如表1所示。

準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試樣按照 GB/T228.1—2010金屬材料拉伸試驗(yàn)第一部分：室溫試驗(yàn)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，其尺寸見圖1。動(dòng)態(tài)拉伸試樣尺寸如圖2所示，通過(guò)減小均勻變形段的長(zhǎng)度，使得整個(gè)試樣軸向應(yīng)力、應(yīng)變快速均勻化[5]。

表1 58SiMn鋼化學(xué)成分表 %

圖1 準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試樣

圖2 動(dòng)態(tài)拉伸試樣

1.2 準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)

準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)的加載設(shè)備為型號(hào)WDW-500E的電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，電子引伸計(jì)型號(hào)為YYU-25，試驗(yàn)加載應(yīng)變率為0.001 s-1和0.01 s-1，試驗(yàn)裝置如圖3所示。試樣兩端采用配套的夾具固定，引伸計(jì)通過(guò)橡皮筋固定在試樣上，這種固定方式牢靠，能夠保證試樣和夾具之間以及引伸計(jì)和試樣之間不會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。試驗(yàn)時(shí)，試樣承受的拉力與試驗(yàn)機(jī)橫梁的荷載相等，可由力傳感器測(cè)得，試樣標(biāo)距內(nèi)的形變量由引伸計(jì)測(cè)量。

1.3 動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)

材料動(dòng)態(tài)力學(xué)拉伸試驗(yàn)是研究材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的基礎(chǔ)，通過(guò)獲得不同應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)而分析應(yīng)變率對(duì)材料力學(xué)特性的影響規(guī)律。獲得材料在應(yīng)變率為102～104s-1范圍內(nèi)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系最有效的裝置是分離式霍普金森桿[6]?；羝战鹕瓧U是利用應(yīng)力波作為加載和測(cè)試手段來(lái)得到材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。本試驗(yàn)的霍普金森拉桿裝置如圖4所示，跟準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)的不同之處在于動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)試樣是通過(guò)膠粘的方式與桿件連接[7]，能夠保證示波器采集的反射信號(hào)干凈穩(wěn)定、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

圖3 準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)裝置

1—透射桿；2—應(yīng)變片；3—試樣；4—入射桿；5—發(fā)射系統(tǒng)；6—套筒子彈；7—應(yīng)變放大儀；8—示波器；9—法蘭；10—AB膠圖4 動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)結(jié)果

為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性，每組應(yīng)變率工況下重復(fù)5～6次。圖5是應(yīng)變率為0.001 s-1下試樣試驗(yàn)前后對(duì)比圖。試樣的斷口均位于標(biāo)距內(nèi)，所測(cè)數(shù)據(jù)能夠有效反映58SiMn鋼的材料特性。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后得到材料的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，每組應(yīng)變率下選取重復(fù)性較好的3條曲線繪制如圖6所示。從回收的試樣來(lái)看，兩組試驗(yàn)條件下試樣的斷口特征一致，斷口位置處無(wú)頸縮變形，斷口的兩部分能夠較好的匹配，是一種典型的脆性斷裂。

由圖6可以看出，在考慮到試樣加工誤差和試驗(yàn)誤差的情況下，兩組準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)下的加載應(yīng)變率雖然相差一個(gè)量級(jí)，但應(yīng)力-應(yīng)變曲線卻具有一致性?？梢娫跍?zhǔn)靜態(tài)下，58SiMn鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線與加載應(yīng)變率無(wú)關(guān)。從試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線來(lái)看，58SiMn鋼的力學(xué)性能不同于一般的合金鋼[8-9]，在拉伸過(guò)程中未見有屈服現(xiàn)象，沒(méi)有明顯的屈服點(diǎn)，應(yīng)變硬化效應(yīng)明顯且呈雙線性。試樣準(zhǔn)靜態(tài)單軸抗拉強(qiáng)度為1 063 GPa，斷裂時(shí)頸縮現(xiàn)象不明顯，呈現(xiàn)脆性斷裂的特征。

圖5 應(yīng)變率為0.001 s-1下試樣試驗(yàn)前后對(duì)比

圖6 58SiMn鋼準(zhǔn)靜態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)結(jié)果

從回收的試驗(yàn)試樣來(lái)看，拉伸斷口位置位于試樣中間平行段，滿足SHTB試樣均勻變形的假定[10]。在應(yīng)變率1 000～2 700 s-1范圍內(nèi)的試樣斷裂方式和宏觀斷口形貌呈現(xiàn)較好的一致性。圖7是應(yīng)變率為1 700 s-1下拉伸試樣試驗(yàn)前后對(duì)比圖。

圖7 應(yīng)變率為1 700 s-1下拉伸試樣試驗(yàn)前后對(duì)比

不同加載應(yīng)變率下試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖8所示。需要說(shuō)明的是，試驗(yàn)時(shí)采用了Kirana 5M超高速相機(jī)拍攝了動(dòng)態(tài)拉伸時(shí)試樣的斷裂過(guò)程，從而保證試樣被拉伸時(shí)不會(huì)發(fā)生多次加載而斷裂的情況。

圖8(a)給出了58SiMn鋼在動(dòng)態(tài)拉伸時(shí)不同應(yīng)變率下的真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變關(guān)系曲線，圖8(b)將不同應(yīng)變率對(duì)應(yīng)的流動(dòng)應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線進(jìn)行了對(duì)比。從圖8(a)中可以看出，58SiMn鋼在1 000～2 700 s-1應(yīng)變率范圍內(nèi)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)相似的特征，且隨著應(yīng)變率的提高，材料的應(yīng)變硬化效應(yīng)得到了增強(qiáng)。圖8(b)可以看出，58SiMn鋼在動(dòng)、靜態(tài)下表現(xiàn)出的力學(xué)特性差異顯著，其動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度較準(zhǔn)靜態(tài)均有顯著的提高，且屈服強(qiáng)度增幅明顯高于抗拉強(qiáng)度增幅，具有顯著的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)。準(zhǔn)靜態(tài)的斷裂應(yīng)變值在0.10～0.13范圍內(nèi)；動(dòng)態(tài)斷裂應(yīng)變值波動(dòng)較大，與試樣的斷裂情況相符，主要是由于58SiMn在動(dòng)態(tài)拉伸下發(fā)生的是脆性斷裂，斷裂原因是材料內(nèi)部缺陷引起應(yīng)力集中使得缺陷處的應(yīng)力遠(yuǎn)大于材料的抗拉強(qiáng)度，從而造成58SiMn鋼動(dòng)態(tài)斷裂的隨機(jī)性較大。

圖8 58SiMn鋼不同應(yīng)變率下的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3 斷裂模式分析

斷裂失效分析從裂紋和斷口的宏觀和微觀特征入手，研究斷裂模式和斷口形貌特征與材料性能、零件受力狀態(tài)之間的關(guān)系。斷口分析可以研究58SiMn鋼的斷裂機(jī)理，判定斷裂的性質(zhì)，分析失效的原因[11-13]。

首先從斷口宏觀特征分析，圖9給出了兩種不同應(yīng)變率下試樣拉伸斷口的對(duì)比圖。可以看出，58SiMn鋼動(dòng)、靜態(tài)斷裂形式一致，斷口平面與軸向拉應(yīng)力垂直，發(fā)生正拉脆性斷裂，因而58SiMn鋼作為彈體材料具有較高的破碎率。

圖9 準(zhǔn)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)試樣斷口對(duì)比圖

材料的宏觀力學(xué)性能不僅與加載應(yīng)變率有關(guān)，還與材料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)關(guān)系密切[8]。對(duì)于斷口微觀形貌分析最常用的工具就是電子顯微鏡，文中采用型號(hào)為MIRA3的掃描電鏡對(duì)回收試樣斷口形貌進(jìn)行觀察，不同應(yīng)變率條件下的試樣斷口微觀形貌如圖10所示。

圖10 不同應(yīng)變率下試樣斷口的SEM圖

從試樣斷口的SEM照片來(lái)看，不同倍鏡下斷口形貌具有相似的特征。從低倍鏡下的斷口形貌來(lái)看，試樣斷口粗糙，呈現(xiàn)脆性斷裂的特征；由高倍鏡的斷口形貌中可以看出，斷口主要的特征由解理臺(tái)階、微孔以及微孔斷裂區(qū)周邊塑性變形形成的撕裂棱組成，是一種典型的準(zhǔn)解理斷裂特征。準(zhǔn)解理斷裂是一種介于解理斷裂和塑坑斷裂之間的過(guò)渡斷裂機(jī)理[14]，準(zhǔn)解理斷裂也使得材料斷口具有更為鋒利的結(jié)構(gòu)，提高了破片的殺傷威力，體現(xiàn)了58SiMn鋼作為殺爆彈殼體材料的優(yōu)越性。

4 結(jié)論

通過(guò)58SiMn鋼的動(dòng)、靜態(tài)拉伸試驗(yàn)和對(duì)回收試樣斷口形貌的觀察分析，得出了以下結(jié)論：

1)58SiMn鋼在不同應(yīng)變率加載下表現(xiàn)出不同的力學(xué)特性，準(zhǔn)靜態(tài)拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變曲線未出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，應(yīng)變硬化段呈雙線性；動(dòng)態(tài)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，應(yīng)變硬化段呈線性。隨著應(yīng)變率的提高，材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨之提高，且屈服強(qiáng)度增幅明顯高于抗拉強(qiáng)度增幅，具有應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)。

2)58SiMn鋼的斷裂模式與加載應(yīng)變率無(wú)關(guān)，從試樣宏觀斷口形貌來(lái)看，斷口粗糙、斷口平面與軸向拉力垂直，是一種正拉脆性斷裂；從試樣微觀斷口形貌來(lái)看，解理臺(tái)階、微孔以及微孔斷裂區(qū)周邊塑性變形形成的撕裂棱是微觀斷口的主要特征，是一種典型的準(zhǔn)解理斷裂。