陳 偉，謝普初，劉東升，史同亞，李治國(guó)，王永剛

（1. 寧波大學(xué)沖擊與安全工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 寧波 315211；2. 中國(guó)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(yáng) 621999）

金屬材料的宏觀力學(xué)性能與微細(xì)觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。隨著晶粒尺寸減小，晶界數(shù)量增大。晶界會(huì)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致金屬材料的屈服強(qiáng)度增大[1-3]，屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸之間滿足Hall-Petch 關(guān)系[4-5]。晶粒尺寸不僅影響材料的屈服行為，而且對(duì)材料的其他力學(xué)性能也有明顯影響。

層裂是材料在卸載波作用下發(fā)生的一種典型的動(dòng)態(tài)拉伸斷裂形式，細(xì)觀上歸結(jié)于材料中微空穴的成核、增長(zhǎng)與聚集，強(qiáng)烈依賴于材料的微觀結(jié)構(gòu)。針對(duì)晶粒結(jié)構(gòu)對(duì)多晶金屬層裂特性的影響已開(kāi)展了較多的研究，部分研究結(jié)果顯示，層裂強(qiáng)度與晶粒尺寸之間服從反Hall-Petch 關(guān)系，即晶粒越大，層裂強(qiáng)度越大[6-7]；還有的研究結(jié)果顯示晶粒尺寸對(duì)金屬層裂特性幾乎沒(méi)有影響[8]。針對(duì)高純鋁和商業(yè)1050 純鋁，Trivedi 等[9]的研究結(jié)果顯示：在低沖擊應(yīng)力下，高純鋁和1050 合金鋁的層裂響應(yīng)基本不依賴于晶粒尺寸；在強(qiáng)沖擊應(yīng)力下，高純鋁的層裂強(qiáng)度隨晶粒尺寸的增大而增大，而1050 合金鋁則保持不變。Chen 等[10]則發(fā)現(xiàn)，在弱沖擊應(yīng)力下，晶粒尺寸對(duì)1060 鋁的層裂強(qiáng)度有影響，但在強(qiáng)沖擊應(yīng)力下，晶粒尺寸的影響不明顯。除了金屬鋁，學(xué)者們對(duì)其他延性金屬也開(kāi)展了研究。Escobedo 等[11]和Chen 等[12]發(fā)現(xiàn)，高純銅的層裂強(qiáng)度不依賴于晶粒尺寸，但損傷分布、平均孔洞尺寸、斷裂模式強(qiáng)烈依賴于晶粒尺寸。近年來(lái)，也有一些學(xué)者關(guān)注軋制過(guò)程引起的材料微觀結(jié)構(gòu)變化對(duì)材料層裂特性的影響[13-14]，發(fā)現(xiàn)當(dāng)沖擊加載方向垂直于軋制方向時(shí)，材料的層裂強(qiáng)度較低，而當(dāng)沖擊加載方向沿板材軋制方向時(shí)，材料的層裂強(qiáng)度增大?？傊Я＝Y(jié)構(gòu)對(duì)多晶金屬層裂特性的影響非常復(fù)雜，有待于進(jìn)一步研究。

本文中，以軋制高純鋁（純度大于99.99%）板材為研究對(duì)象，通過(guò)不同熱處理工藝改變晶粒尺寸，采用一級(jí)輕氣炮加載技術(shù)，開(kāi)展一維應(yīng)變沖擊加載下高純鋁板材的層裂實(shí)驗(yàn)研究，重點(diǎn)關(guān)注晶粒尺寸對(duì)高純鋁板材宏觀層裂強(qiáng)度的影響；對(duì)軟回收靶板內(nèi)部的損傷演化和斷口進(jìn)行金相顯微分析，討論晶粒尺寸對(duì)高純鋁板材損傷演化和斷裂微觀機(jī)制的影響規(guī)律。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 高純鋁板材層裂靶板制備

高純鋁粉由貴州鋁廠提供，純度大于99.99%。委托北京有色金屬研究院制備成10 mm 厚度板材，通過(guò)3 種不同熱處理工藝（300、450 和550 ℃下保溫2 h 退火處理）改變板材的晶粒尺寸。采用線切割技術(shù)，沿板材厚度方向切割出直徑為50 mm、厚 6 mm 的圓片狀層裂靶板，靶板取樣如圖1 所示，其中RD 為軋制方向，TD 為板材厚度方向，ND 為RD 的垂直方向。飛片材料同為高純鋁，直徑為53 mm，厚3 mm。圖2(a)～(c)給出了3 種晶粒尺寸高純鋁靶板縱截面（TD 和ND 軸組成的平面）的電子背散射衍射（electron back scattering diffraction，EBSD）表征照片，可以看出，隨著退火溫度升高，晶粒尺寸逐漸增大，晶粒尺寸分布較均勻，但在550 ℃條件下晶粒尺寸非常大，在EBSD 有效表征區(qū)內(nèi)難以見(jiàn)到完整的晶粒。為此，圖2(d)給出了由8 個(gè)圖像拼接而成的550 ℃條件下的高純鋁晶粒分布，其平均晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)值約為500 μm。300 和450 ℃條件下晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)值分別為60 和100 μm。圖3 給出了300 ℃條件下高純鋁板微結(jié)構(gòu)EBSD[10]表征的三維照片，顯示高純鋁板材在縱截面和橫截面上晶粒尺寸分布較均勻，但是在軋面上晶粒被明顯拉長(zhǎng)，晶界沿軋制方向取向。

圖1 板材軋制方向指示和層裂靶板取樣示意圖Fig.1 Schematic showing the three principal orthogonal directions of rolled plate and sample preparation

圖2 不同熱處理工藝得到的高純鋁微結(jié)構(gòu)EBSD 表征照片F(xiàn)ig.2 Microstructures of high-purity (HP) aluminum by EBSD at different heat-treatment temperatures

圖3 300 ℃條件下高純鋁微結(jié)構(gòu)EBSD 表征的三維照片F(xiàn)ig.3 3D microstructure of HP aluminum by EBSD at the heat-treatment temperature of 300 °C

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

圖4 層裂實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of spall experiments

表1 高純鋁板材層裂實(shí)驗(yàn)條件和結(jié)果Table 1 Conditions and results of spall experiment for high-purity aluminum plate

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 自由面速度剖面

采用低速飛片撞擊靶板，在靶板中產(chǎn)生初始層裂狀態(tài)，中間剖切的高純鋁靶板如圖5(a)所示，靶板整體發(fā)生彎曲變形，但沒(méi)有觀察到斷裂面和飛片發(fā)生二次碰撞痕跡。隨著飛片擊靶速度提高，靶板發(fā)生完全層裂，橫截面上觀察到連貫的斷裂面，如圖5(b)所示。圖6(a)和(b)分別給出了不同飛片撞擊速度下3 種晶粒尺寸靶板的自由面粒子速度時(shí)程曲線。自由面速度時(shí)程曲線包含了豐富的波傳播和波系相互作用信息，可以間接反映材料內(nèi)部發(fā)生的微損傷演化動(dòng)力學(xué)過(guò)程。對(duì)比圖6(a)和(b) 發(fā)現(xiàn)：無(wú)論是初始層裂還是完全層裂，自由面速度時(shí)程曲線都出現(xiàn)了明顯的回跳層裂信號(hào)。傳統(tǒng)觀點(diǎn)一直把回跳信號(hào)作為判斷層裂是否發(fā)生的重要依據(jù)。事實(shí)上，對(duì)回跳速度信息的解讀一直存在爭(zhēng)議[16]。以晶粒尺寸為500 μm 靶板的實(shí)測(cè)自由面速度時(shí)程曲線為例，定量討論自由面速度波形的典型特征，如圖6(a)所示。

圖5 軟回收靶板照片F(xiàn)ig.5 Images of soft recovery HP aluminum samples

圖6 不同撞擊速度下3 種晶粒尺寸的高純鋁靶板實(shí)測(cè)自由面速度曲線Fig.6 Free-surface velocity profiles of HP aluminum with different grain sizes at different impact velocities

利用自由面速度曲線上的粒子速度峰值，可以計(jì)算沖擊加載的峰值應(yīng)力[17]：

式中：ρ為材料的密度，c0和λ 分別為材料的Hugoniot 參數(shù)，u 為自由面粒子速度的峰值。高純鋁材料參數(shù)為 ρ =2.7 g/cm3，c0= 5 386 m/s，λ=1.34。

綜上所述，培養(yǎng)學(xué)生興趣的方法是多種多樣的，在教學(xué)中要視具體情節(jié)而定，教會(huì)學(xué)生運(yùn)用自己的思維去學(xué)習(xí)、探索和研討，反思、批評(píng)和質(zhì)問(wèn)，讓學(xué)生好奇地“問(wèn)”，自信地“想”和“說(shuō)”，在興趣中，使思維能力得到充足的發(fā)展，從而提高各方面的素質(zhì)。

式中：cb為體波聲速。

利用回跳速度Δu 可以近似計(jì)算出材料的層裂強(qiáng)度[17]：

沖擊應(yīng)力峰值、拉伸應(yīng)變率和層裂強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。圖7 給出了層裂強(qiáng)度隨晶粒尺寸的變化曲線，圖7 中包含了Trivedi 等[9]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：高純鋁板材在低沖擊應(yīng)力下的層裂強(qiáng)度隨晶粒尺寸的增大而增大，體現(xiàn)了反Hall-Petch 關(guān)系；在高沖擊應(yīng)力下，晶粒尺寸對(duì)層裂強(qiáng)度的影響較弱。Trivedi 等[9]則給出了相反的結(jié)果：在高沖擊應(yīng)力下，晶粒尺寸和層裂強(qiáng)度之間服從反Hall-Petch關(guān)系；而在低沖擊應(yīng)力下，層裂強(qiáng)度與晶粒尺寸之間沒(méi)有明顯的依賴關(guān)系。無(wú)論是本文中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果還是Trivedi 等[9]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都顯示，隨著沖擊應(yīng)力增大，層裂強(qiáng)度增大。事實(shí)上，強(qiáng)沖擊加載下，材料經(jīng)歷嚴(yán)重塑性變形，從而引起材料微觀結(jié)構(gòu)變化。材料初始微觀結(jié)構(gòu)及沖擊應(yīng)力都會(huì)對(duì)材料抵抗拉伸層裂破壞的能力產(chǎn)生顯著影響，并且這種影響相互耦合。后續(xù)將通過(guò)微損傷演化分析及EBSD 微觀表征來(lái)進(jìn)一步討論層裂強(qiáng)度與材料微觀結(jié)構(gòu)之間的復(fù)雜關(guān)系。

式中：A 和B 為材料參數(shù)。

圖7 不同沖擊應(yīng)力條件下高純鋁層裂強(qiáng)度隨晶粒尺寸的變化關(guān)系Fig.7 Relationship between spallation strength and grain size of HP aluminum under different impact stress conditions

圖8 不同晶粒尺寸高純鋁板材的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.8 Stress strain curves of HP aluminum with different grain sizes

2.2 微損傷分布和斷口分析

為了研究初始層裂靶板內(nèi)部的微損傷演化特征，首先采用線切割方式將靶板（如圖5 所示）從中間分開(kāi)，然后對(duì)損傷區(qū)域進(jìn)行局部切割，再進(jìn)行表面研磨和拋光，最后利用超景深光學(xué)顯微鏡觀察靶板橫截面上的損傷分布特征。圖9(a)～(c)給出了3 種晶粒尺寸靶板內(nèi)部微損傷分布的光學(xué)照片，靶板內(nèi)部沒(méi)有形成連續(xù)的斷裂面，還處于微損傷狀態(tài)，但損傷分布特征明顯依賴于材料晶粒尺寸。微損傷帶的寬度隨晶粒尺寸的增大而增大，部分微孔洞之間發(fā)生相互聚集現(xiàn)象，聚集優(yōu)先方向?yàn)榇怪庇跊_擊方向。這與祁美蘭等[20]、Qi 等[21]給出的高純鋁棒材層裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)圖9(d)）明顯不同，圖9(d)清晰地顯示微孔洞沿沖擊方向聚集。對(duì)于高純多晶金屬，微孔洞成核、長(zhǎng)大于晶界（見(jiàn)圖9(e)），微孔洞之間易于沿著晶界發(fā)生聚集。在沖擊加載方向與晶粒取向一致時(shí)，微孔洞沿著晶界聚集，不容易形成斷裂帶，因而材料具有較強(qiáng)的抗層裂破壞能力。此外，從圖9 中還可以看出：隨著晶粒尺寸增大，微孔洞的數(shù)量減少而尺寸增大；對(duì)于晶粒尺寸較小的靶板，材料內(nèi)部晶界較多，導(dǎo)致微孔洞成核點(diǎn)多，在相同沖擊能量作用下，微孔洞的數(shù)量多但尺寸小，其中大孔洞是由于微孔洞之間聚集形成的；而對(duì)于晶粒尺寸大的靶板，由于內(nèi)部晶界較少，微孔洞成核點(diǎn)少，因而不能排除微孔洞會(huì)成核于晶粒內(nèi)部，如圖9(f)所示，在相同沖擊能量作用下，橫截面上顯示的微孔洞數(shù)量少但尺寸大，并且分布不均勻。3 種晶粒尺寸靶板內(nèi)部的微孔洞尺寸統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖10 所示。

圖9 軟回收不同晶粒尺寸靶板中微孔洞分布光學(xué)照片F(xiàn)ig.9 Micro-void distribution in the HP aluminum plate samples with different grain sizes

圖10 不同晶粒尺寸靶板中微孔洞尺寸統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.10 Statistical distribution of micro-void size in the HP aluminum plate samples with different grain sizes

為了進(jìn)一步揭示微孔洞長(zhǎng)大和聚集的微觀機(jī)理，圖11 給出了不同晶粒尺寸高純鋁靶板橫截面損傷分布的EBSD 表征照片。承受強(qiáng)沖擊的靶板由于發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形（特別是在微孔洞周圍），同時(shí)靶板內(nèi)殘余應(yīng)力增大，導(dǎo)致EBSD 的標(biāo)定率下降，給EBSD 表征帶來(lái)困難。對(duì)于標(biāo)定率差的靶板，只能通過(guò)減小表征面積來(lái)提高標(biāo)定率，因而圖11 中各圖的圖形標(biāo)尺不同。從圖11 中可以看出：原始晶粒尺寸為60 和100 μm 的靶板，晶粒被壓扁，且晶粒細(xì)化現(xiàn)象（尤其是微孔洞周圍）非常嚴(yán)重；原始晶粒尺寸為500 μm的靶板，晶粒變化不明顯，晶界和晶粒內(nèi)部都觀察到了微孔洞。眾所周知，在層裂實(shí)驗(yàn)中，總是靶板先受到?jīng)_擊壓縮，然后自由表面反射的稀疏波相互作用形成沖擊拉伸。目前，關(guān)于沖擊壓縮對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)影響的研究較少，Sencer 等[22]研究了沖擊壓縮加載波形對(duì)金屬銅和316L 不銹鋼微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響，發(fā)現(xiàn)沖擊壓縮后金屬銅的屈服應(yīng)力明顯提高，而316L 不銹鋼的應(yīng)變硬化效應(yīng)得到加強(qiáng)。迄今為止，關(guān)于晶粒尺寸對(duì)材料損傷特性的影響已開(kāi)展了許多研究工作，但基本都忽略了沖擊壓縮過(guò)程對(duì)材料原始微觀結(jié)構(gòu)的影響。為了進(jìn)一步驗(yàn)證沖擊壓縮對(duì)高純鋁板材微觀結(jié)構(gòu)的影響，開(kāi)展了一維應(yīng)變加載條件下的純沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)，飛片和靶板厚度比為1∶1，飛片撞擊速度為200 m/s。

圖12(a)和(b)分別給出了原始晶粒尺寸為 60 和100 μm 的靶板經(jīng)歷純沖擊壓縮變形之后內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的EBSD 表征照片。圖13 給出了平均晶粒尺寸為60 μm 靶板的原始晶粒尺寸和壓縮之后晶粒尺寸分布的對(duì)比，結(jié)果顯示：沖擊壓縮后的靶板晶粒細(xì)化現(xiàn)象非常嚴(yán)重，再次證實(shí)沖擊壓縮過(guò)程會(huì)導(dǎo)致材料微觀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)顯著變化，從而對(duì)材料層裂特性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。圖6 和圖7 給出的宏觀自由面速度剖面上的不同特征和層裂強(qiáng)度與晶粒尺寸之間的關(guān)系，本質(zhì)上都與材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)演化密切相關(guān)。裴曉陽(yáng)等[16]指出，層裂實(shí)驗(yàn)中自由面速度回跳點(diǎn)本質(zhì)上對(duì)應(yīng)于微孔洞的成核。在低速?zèng)_擊下，晶粒尺寸越大，回跳點(diǎn)的位置越低，這可以歸因于成核率的影響。晶粒尺寸大的金屬，內(nèi)部成核點(diǎn)少，成核率低。張鳳國(guó)等[23]采用數(shù)值模擬方法討論了晶粒尺寸對(duì)高純銅層裂損傷演化過(guò)程的影響，也發(fā)現(xiàn)隨著材料晶粒尺寸增大，自由面速度回跳點(diǎn)降低，而回跳后速度曲線的斜率增大，損傷材料內(nèi)部的孔洞數(shù)減少，平均孔洞尺寸增大。張鳳國(guó)等[23]的計(jì)算結(jié)果與本文中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。在高速?zèng)_擊下，前期的沖擊壓縮過(guò)程已經(jīng)引起晶粒細(xì)化，從而導(dǎo)致初始晶粒尺寸對(duì)層裂損傷演化的影響被弱化。

圖11 不同晶粒尺寸高純鋁損傷后靶板微觀結(jié)構(gòu)的EBSD 表征照片F(xiàn)ig.11 EBSD characterization of HP aluminum samples with different grain sizes after damage

圖12 純沖擊壓縮后不同初始晶粒尺寸的高純鋁靶板微觀結(jié)構(gòu)EBSD 表征照片F(xiàn)ig.12 EBSD characterization of HP aluminum samples with different grain sizes under shock compression

圖13 高純鋁靶板原始的和沖擊壓縮后的晶粒尺寸分布Fig.13 Grain size distribution of original and shocked high-purity aluminum plate.

高速?zèng)_擊加載下，不同晶粒尺寸的高純鋁靶板均發(fā)生完全層裂破壞，圖14(a)～(c)分別為不同晶粒尺寸靶板的層裂斷口SEM 照片。由圖14 可知：（1）3 種晶粒尺寸靶板的斷口表面都存在大量的韌窩，晶粒尺寸對(duì)韌窩的幾何特征有顯著影響；（2）晶粒尺寸小（60 和100 μm）的靶板，斷口上呈現(xiàn)高密度小韌窩，表現(xiàn)出明顯的韌性沿晶斷裂特征；（3）晶粒尺寸為500 μm 的靶板，斷口上除分布有一些小韌窩外，還有一些大韌窩，韌窩非常淺且表面較光滑，這些大韌窩并不是孔洞擴(kuò)展聚集形成的，而是晶界斷裂的痕跡，表現(xiàn)出明顯的脆性沿晶斷裂特征；（4）在高純鋁層裂斷口還發(fā)現(xiàn)了一些金屬小圓球，其局部放大如圖14(d)所示，通過(guò)能譜分析可知，這些金屬小圓球的成分為鋁，由此推測(cè)這些小金屬球可能是由于微孔洞長(zhǎng)大和聚集過(guò)程中，局域塑性變形引起溫升而導(dǎo)致材料局域熔化形成的。Liao 等[24]采用分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法研究了金屬鋁層裂過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)和熱耗散對(duì)微孔洞成核、長(zhǎng)大的影響，發(fā)現(xiàn)微孔洞長(zhǎng)大與熱熔化之間相互促進(jìn)。微孔洞長(zhǎng)大過(guò)程中的熱耗散導(dǎo)致微孔洞附近的溫度升高，并促進(jìn)微孔洞周圍的材料熔化。此外，材料熔化導(dǎo)致材料的強(qiáng)度下降，有利于微孔洞長(zhǎng)大。計(jì)算結(jié)果顯示，微孔洞周圍的局域溫度可以達(dá)到1 200 K，遠(yuǎn)高于高純鋁的熔化溫度（933 K）。

圖14 不同晶粒尺寸靶板的斷口SEM 表征照片F(xiàn)ig.14 SEM micrographs of fracture surface of HP aluminum with different grain sizes

3 結(jié) 論

通過(guò)平板撞擊層裂實(shí)驗(yàn)研究了晶粒尺寸對(duì)高純鋁板材層裂行為的影響，獲得了不同飛片擊靶速度條件下的自由面速度時(shí)程曲線，并對(duì)軟回收靶板內(nèi)部損傷演化特性和斷口形貌進(jìn)行了顯微分析與討論，獲得以下3 點(diǎn)認(rèn)識(shí)。

（1）基于實(shí)測(cè)自由面速度曲線，發(fā)現(xiàn)晶粒尺寸對(duì)高純鋁板材層裂行為的影響依賴于沖擊加載應(yīng)力幅值，在1.04 GPa 沖擊應(yīng)力條件下，層裂強(qiáng)度與晶粒尺寸之間表現(xiàn)出反Hall-Petch 關(guān)系；而在1.87 GPa 沖擊應(yīng)力下，晶粒尺寸對(duì)層裂強(qiáng)度幾乎沒(méi)有影響。

（2）基于軟回收樣品金相顯微分析，發(fā)現(xiàn)晶粒尺寸對(duì)微損傷分布特性和斷口形貌有明顯影響，隨著晶粒尺寸增大，微孔洞分布范圍擴(kuò)大、數(shù)量減少、尺寸增大，斷口形貌呈現(xiàn)由韌性向準(zhǔn)脆性轉(zhuǎn)變的沿晶斷裂特征。

（3）首次在斷口上觀察到隨機(jī)分布的小金屬圓球，歸因于微孔洞長(zhǎng)大、聚集過(guò)程中嚴(yán)重塑性變形引起的熱效應(yīng)，熱效應(yīng)不僅會(huì)促進(jìn)微孔洞增長(zhǎng)，還可能導(dǎo)致材料發(fā)生局部熔化，值得進(jìn)一步關(guān)注。