李英華，常敬臻，張 林，宋 萍

（1. 中國工程物理研究院流體物理研究所，四川 綿陽 621999；2. 中國久遠高新裝備公司，四川 綿陽 621999）

輻照環(huán)境下材料內部會形成氦泡和微孔洞，從而對材料的力學性能產生重要影響，該問題是核能領域和其他軍民兩用領域關注的重要科學問題[1-3]。為滿足實驗室研究需要，國際上通常在金屬材料中摻入硼元素，通過高能中子轟擊，使中子與硼元素發(fā)生核嬗變反應生成氦（10B+n-→7Li+10He）[1]，再經過一定的工藝熱處理調整氦泡大小，實現含氦泡材料制備。鋁（Al）及其合金具有中子輻照活化低、經濟適用性好等優(yōu)點，近年來許多學者利用輻照摻硼鋁開展研究，以探討氦泡成核、長大以及最終導致的材料斷裂性能變化[4-8]。然而，當前的研究以靜態(tài)實驗和理論計算居多，動態(tài)數據相對較少[9-11]。Glam 等[9-10]比較了摻硼鋁（10B 的質量分數為0.15%）與輻照摻硼鋁（含氦泡）在不同初始溫度下的沖擊實驗結果，發(fā)現常態(tài)下硼的摻雜使純鋁的層裂強度降低了20%，輻照引入的氦泡沒有造成材料動態(tài)斷裂性能的進一步降低，不過升溫到600 ℃時，含氦泡鋁的層裂強度相比摻硼鋁顯著降低，氦泡效應突顯。Xiao 等[11]研究了摻硼鋁（10B 的質量分數為0.2%）和含氦泡鋁在激光加載高拉伸應變率作用下的層裂特性，發(fā)現材料的層裂強度具有明顯的應變率效應，但是氦泡的影響依舊不突出。最近，分子動力學計算又有新的發(fā)現[12]，計算顯示，氦泡使固體鋁單晶的層裂強度顯著降低，而熔化狀態(tài)下氦泡的影響幾乎可以忽略。氦泡對常態(tài)下鋁基體的動態(tài)屈服和層裂性能究竟有無影響，影響程度多大，其他雜質與氦泡的效應能否明確區(qū)分，這些問題對于進一步認識輻照損傷材料的動態(tài)斷裂行為具有重要價值，而現有的研究數據顯然偏少。

本研究利用火炮技術對純鋁、摻硼鋁以及不同氦濃度的含氦泡鋁材料開展層裂測量實驗，結合自由面速度剖面獲得材料的Hugoniot 彈性極限、層裂強度等數據，進而探討硼雜質和氦泡對鋁基體動態(tài)斷裂性能的影響。

1 平板沖擊層裂實驗

沖擊實驗采用的樣品包括高純鋁、摻硼鋁和兩種氦濃度的含氦泡鋁。氦泡鋁的制備過程：先按一定的質量百分比稱取高純鋁錠（純度99.999%）和硼粉，經電弧熔煉鍛造制備出摻硼鋁（10B 的質量分數為0.07%）棒材，車削棒料獲得所需尺寸的樣品圓片，將圓片放入反應堆進行中子輻照反應，出堆后再經1 h 的高溫退火處理，得到氦濃度為3 × 1019cm-3的氦泡鋁樣品，氦泡的平均尺寸為1～2 nm。采用相似工藝，對硼的質量分數為0.15%的摻硼鋁進行中子輻照，得到另一種濃度的氦泡鋁樣品，氦濃度約為6 × 1019cm-3，提高了近一倍，氦泡的平均尺寸不變。為便于區(qū)別，設濃度為3 × 1019cm-3和6 × 1019cm-3的氦泡鋁分別為氦泡鋁Ⅰ（Al with He bubbles Ⅰ）和氦泡鋁Ⅱ（Al with He bubbles Ⅱ）。

平板沖擊層裂實驗的基本過程：薄飛片高速撞擊厚樣品產生沖擊波并分別在飛片和樣品內傳播，沖擊波到達自由面后反射形成兩束卸載波，兩束卸載波相向傳播并在樣品某一區(qū)域相遇形成拉伸作用，當拉伸脈沖幅度足夠大時，材料斷裂，層裂發(fā)生。對于上述過程，樣品自由面速度會呈現如圖1 所示的特征剖面，即沖擊波到達樣品自由面后引起自由面速度突然增加，達到速度峰值umax，從飛片中傳入的稀疏波與自由面反射的稀疏波相互作用后到達樣品自由面時，樣品自由面速度開始下降，樣品中稀疏波相遇的區(qū)域處于拉伸應力狀態(tài)，拉斷后樣品中產生層裂面，后續(xù)反射稀疏波到達層裂面后，立即反射壓縮波使自由面速度由umin回跳。

圖1 平板沖擊實驗原理圖(a)及典型的樣品自由面速度剖面(b)Fig. 1 Schematic of plane shock experiment (a) and the typical free surface velocity of the sample (b)

2 實驗結果與討論

2.1 實驗參數與測量結果

表2 密度和聲速Table 2 Density and sound velocity

2.2 摻硼和氦泡對鋁材料斷裂特性的影響

圖2 顯示了純鋁、摻硼鋁（10B 的質量分數為0.07%）和氦泡鋁Ⅰ3 種鋁材料的樣品自由面速度剖面。觀察Shot 1 的實驗剖面，結合表1 數據可以得到，純鋁的層裂強度為1.28 GPa，與文獻[18]報道的同等應變率（105s-1）范圍內多晶鋁的層裂強度相當。與純鋁相比，氦泡鋁從速度峰值卸載到純鋁速度的1/2 位置，即受到來自層裂面的壓縮波作用時，粒子速度產生回跳，層裂強度明顯降低，僅約0.6 GPa，降低幅度接近50%。不過，彈塑性屈服和動態(tài)壓縮性能變化極小，彈性極限與純鋁相當，都保持在0.130 GPa，自由面速度峰值與純鋁實驗也非常一致，可近似認為氦泡等摻雜對鋁基體的沖擊壓縮性能沒有影響，這一認識也與文獻[9-10]相符合。

表1 實驗數據Table 1 Experimental data

圖2 純鋁、摻硼鋁和氦泡鋁Ⅰ樣品的自由面速度剖面Fig. 2 Free surface velocities of pure Al, Al-10B and Al with helium bubbles Ⅰ

Shot 2 實驗測量了摻硼鋁的自由面速度，如圖2 所示。與氦泡鋁Ⅰ對照可以看到，除彈速變化帶來的加載幅度不同外，兩種樣品的速度剖面變化規(guī)律基本一致，僅在峰值速度卸載速率和振蕩信號上升速率方面，摻硼鋁的速度剖面略有放緩，依此剖面計算的拉伸應變率和層裂強度也相應地減小，材料的層裂強度隨應變率的變化比較敏感。對于Hugoniot 彈性極限，摻硼鋁在輻照前、后（含氦泡）幾乎沒有差別。上述對比表明，硼的摻雜是造成鋁材料屈服與層裂性能改變的主要因素，而輻照產生的氦泡（氦濃度3 × 1019cm-3）對鋁的屈服及層裂性能沒有明顯影響。

Shot 3 實驗測量了氦泡鋁Ⅱ的自由面速度，如圖3 所示，為了便于對照，圖3 給出了氦泡鋁Ⅰ的自由面速度剖面。從圖3 中看到，兩種氦泡鋁的特征剖面十分相似，相比純鋁，都呈現出峰值速度卸載速率和振蕩信號上升速率明顯變緩的特征，振蕩衰減幅度也相當一致。由該特征信號計算得到氦泡鋁Ⅱ的層裂強度和Hugoniot 彈性極限分別為0.69 GPa 和0.153 GPa，與氦泡鋁Ⅰ的層裂強度和彈性極限相當。上述比較表明，當氦的濃度提高一倍時，氦泡效應仍然不突出，這也從另一個角度說明，摻硼對鋁基體的動態(tài)屈服和斷裂性能造成的影響更顯著。

圖3 兩種氦濃度的氦泡鋁（輻照摻硼鋁）樣品的自由面速度剖面Fig. 3 Free surface velocity profiles of two neutron irradiated Al-10B samples with different helium density

3 分析與討論

國內外已有不少關于高純鋁、商業(yè)純鋁以及不同晶粒尺度的單晶鋁層裂強度隨應變率變化的報道[9-11,18]，但是對摻硼鋁和含氦鋁的動態(tài)響應實驗研究非常有限，本研究的測量結果豐富了中低應變率下摻硼鋁和含氦鋁的層裂強度數據。圖4匯總了部分文獻和本實驗結果?？梢钥闯觯涸趯底鴺讼迪赂呒冧X的層裂強度隨拉伸應變率的增加而線性增加，在同等應變率下，商業(yè)鋁的層裂強度更低；摻硼和氦泡都顯著降低了純鋁的層裂強度，在105s-1的中低應變率下，本研究所用材料的層裂強度降低了50%。

圖4 幾種鋁的層裂強度Fig. 4 Spall strength of several kinds of aluminum material

從實驗結果看，本研究的摻硼和含氦鋁的層裂強度比Glam 等[10-11]的研究結果明顯偏低，本實驗采用的摻硼和含氦鋁比純鋁的層裂強度降低接近50%，而Glam 等的結果則降低25%～32%?？赡艿脑蚴卿X基體的晶粒度存在差異。Glam 等所用的高純鋁的平均晶粒尺寸為500～2 000 μm，測量的層裂強度為2.04 GPa；而本研究采用的高純鋁的平均晶粒尺寸約700 μm，晶粒尺寸越小，晶界面積越大，越有利于損傷成核，從而解釋了本實驗給出的純鋁層裂強度只有1.28 GPa 的原因，該測量數據與Chen 等[18]的實驗結果相當。另一方面，不同的加工工藝也導致摻硼鋁的晶粒尺度存在差異，從而進一步影響材料的抗拉性能。Glam 等的摻硼鋁晶粒尺寸為280～600 μm，本研究的摻硼鋁平均晶粒尺寸在40 μm 左右，其層裂強度也比Glam 等報道的結果降低了60%。此外，金相分析結合能譜鑒定顯示，鋁基體中存在明顯的Al-10B 針狀析出物和10B 顆粒，如圖5 所示，并且都顯著偏聚在晶界處，沿晶界方向不規(guī)則分布，在動態(tài)加載下容易造成局部應力集中，材料不均勻性增強，致使抗拉性能降低。因此，雖然摻硼和氦泡使純鋁的抗拉性能顯著降低，但是不同研究中抗拉性能的降低程度有明顯差異，分析認為，由制備工藝造成的包括晶粒尺寸在內的微結構不同是其中一個重要因素。

圖5 摻硼鋁（0.07% 10B）的金相照片Fig. 5 Optical micrograph of Al-10B (0.07% 10B)

此外，實驗顯示，提高氦的濃度后，氦泡鋁的動態(tài)屈服和層裂性能沒有變化。3 × 1019cm-3和6 ×1019cm-3兩種氦濃度的含氦鋁與摻硼鋁相比，彈塑性屈服和層裂引起的自由面速度改變幾乎相同（二者得到的Yhel及 σspall相當），氦泡效應并沒有隨氦濃度的提高凸顯出來，這一結論也與文獻[9]的觀點一致。

不難發(fā)現，在現有的通過中子輻照摻硼金屬制備含氦泡材料的工藝下，實際上并不容易排除硼雜質及析出物的影響而單獨考慮氦泡效應，宏觀測量得到的無論是屈服特性還是抗拉性能都體現的是包含雜質等缺陷在內的綜合效應。雖然有研究認為，氦泡效應會在高溫下凸顯，并根據600 ℃下含氦鋁的動態(tài)特性實驗分析，認為氦泡使材料在高溫下的抗拉性能變差，層裂強度降低，但是從其測量剖面上看，降低幅度并不明顯。因此，若要更加明晰地甄別氦泡效應，還需要通過更多有針對性的對比實驗并結合數值模擬開展進一步探討與分析。

4 結 論

針對氦泡效應，開展了高純鋁、摻硼鋁以及含氦鋁材料的平板沖擊實驗，測量了多類樣品的自由面速度剖面，據此計算了Hugiont 彈性極限、層裂強度和拉伸應變率，結合金相圖像，對摻硼和氦泡造成的鋁基體動態(tài)性能改變進行了初步分析，得到以下結論：

（1）10B 的質量分數為0.07%的摻硼鋁的層裂強度為0.55 GPa，相比純鋁的層裂強度顯著降低，降低幅度接近50%；

（2） 通過輻照引入氦泡以及進一步提高氦濃度不會對鋁材料的彈塑性屈服和動態(tài)斷裂性能造成明顯的影響；

（3） 在現有的樣品制備工藝下，氦泡鋁中含有硼和鋁硼析出物，從實驗角度很難排除硼雜質而單獨討論氦泡效應對鋁的層裂強度降低的影響，二者不容易顯著區(qū)分。