葉想平，南小龍，段志偉，俞宇穎，蔡靈倉(cāng)，劉倉(cāng)理

（1. 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；2. 中國(guó)工程物理研究院，四川 綿陽(yáng) 621999）

自1949 年Kolsky 建立分離式霍普金森壓桿（split Hopkinson pressure bar, SHPB）實(shí)驗(yàn)技術(shù)以來(lái)，SHPB 實(shí)驗(yàn)技術(shù)在此后的近百年里獲得了長(zhǎng)足發(fā)展，為了滿足工程和科學(xué)研究的需要，也不斷演變出其他動(dòng)態(tài)加載（拉伸、扭轉(zhuǎn)、剪切、圍壓等）和診斷技術(shù)，但SHPB 始終是成熟度最高、使用最廣泛的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。SHPB 實(shí)驗(yàn)技術(shù)建立在3 個(gè)基本假設(shè)基礎(chǔ)上：（1）一維應(yīng)力假設(shè)；（2）應(yīng)力均勻性假設(shè)；（3）壓桿彈性假設(shè)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需對(duì)壓桿材質(zhì)，壓桿與樣品的幾何尺寸、表面狀態(tài)、擺放姿態(tài)（同軸度）、端面摩擦效應(yīng)消除和修正等提出較高要求，才能夠滿足以上假設(shè)，進(jìn)而保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。如果實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)施過(guò)程中出現(xiàn)失誤，無(wú)法滿足以上假設(shè)，將會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大偏差，甚至得出錯(cuò)誤的研究結(jié)論。在以上眾多影響SHPB 實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性的因素中，樣品與壓桿端面摩擦效應(yīng)對(duì)材料塑性流動(dòng)應(yīng)力的影響是普遍關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題。

金屬樣品外表面機(jī)加狀態(tài)良好，粗糙度較低時(shí)，二硫化鉬（MoS）等潤(rùn)滑劑能夠有效降低樣品端面摩擦力，但在某些特殊工況下，樣品外表面無(wú)法達(dá)到較高精度。例如：鈹作為聚變堆中的重要結(jié)構(gòu)材料，普遍認(rèn)為機(jī)械加工會(huì)在其外表面引入亞毫米級(jí)的機(jī)加損傷區(qū)（張鵬程等認(rèn)為該機(jī)加損傷區(qū)厚度可達(dá)0.5 mm），且常規(guī)退火無(wú)法完全消除機(jī)加損傷區(qū)內(nèi)的損傷微結(jié)構(gòu)和殘余應(yīng)力，因此，實(shí)驗(yàn)前采用腐蝕液化學(xué)腐蝕掉機(jī)加鈹樣品外表面的損傷區(qū)是常用的消除機(jī)加損傷區(qū)影響的方法。然而，化學(xué)腐蝕都是從活性較高的晶界等缺陷位置開(kāi)始，樣品外表面的腐蝕速率無(wú)法統(tǒng)一，這必然導(dǎo)致化學(xué)腐蝕后樣品尺寸精度降低，尤其是外表面粗糙度增加等問(wèn)題出現(xiàn)。腐蝕后樣品表面粗糙度增加會(huì)提高樣品端面摩擦力，因此，能否有效降低表面粗糙度較高樣品的端面摩擦力，直接決定著SHPB 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和置信度。

本文中，采用SHPB 實(shí)驗(yàn)技術(shù)，研究3 種表面粗糙度紫銅樣品在MoS充分潤(rùn)滑和完全不潤(rùn)滑條件下的本構(gòu)性能，以期獲得樣品表面粗糙度以及潤(rùn)滑效果對(duì)端面摩擦力和最終應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

為了盡可能避免樣品尺寸、加載狀態(tài)浮動(dòng)、應(yīng)變率效應(yīng)等因素對(duì)樣品表面粗糙度和潤(rùn)滑效果對(duì)端面摩擦力的影響，SHPB 實(shí)驗(yàn)中采用直徑10 mm 的馬氏體鋼壓桿，壓桿端面和外表面粗糙度（）均為0.8 μm，加載彈速控制在（17±0.5）m/s，樣品與壓桿的同軸度優(yōu)于0.1 mm（安裝工藝保證），樣品選用應(yīng)變率效應(yīng)不敏感的紫銅，樣品尺寸統(tǒng)一為 ? 4 mm×4 mm，如圖1 所示，機(jī)加端面粗糙度分別為0.8 和1.6 μm。將端面粗糙度為1.6 μm的紫銅樣品放入稀硝酸中腐蝕8 h 后，獲得端面粗糙度為3.2 μm 的腐蝕樣品。

圖1 紫銅樣品尺寸（單位：mm）Fig. 1 Dimensions of the copper specimen (unit: mm)

采用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope, SEM）和原子力探針觀測(cè)表面粗糙度為0.8、1.6 和3.2 μm 樣品的實(shí)驗(yàn)端面。顯微分析結(jié)果證實(shí)，3 種狀態(tài)樣品的表面粗糙度存在顯著差異，如圖2 所示，圖中上方為SEM 圖像，下方為原子力探針獲得的表面圖像。SEM 顯微分析結(jié)果表明，機(jī)加粗糙度為0.8 μm 的樣品端面存在非常均勻的圓形車刀痕跡，進(jìn)刀量約為5 μm，樣品中心無(wú)凸臺(tái)；機(jī)加粗糙度為1.6 μm 的樣品端面的圓形車刀痕跡非常不均勻，進(jìn)刀量約為10 μm，且樣品中心存在凸臺(tái)；酸蝕樣品端面存在大量腐蝕坑，已無(wú)法觀測(cè)到車刀痕跡。原子力探針顯微分析的觀測(cè)區(qū)域均為100 μm×100 μm，觀測(cè)區(qū)域在半徑約為1 mm 的圓周上。將原子力顯微觀測(cè)結(jié)果導(dǎo)入Nanoscope Analysis 后處理軟件，通過(guò)軟件自動(dòng)分析獲得3 種狀態(tài)樣品觀測(cè)區(qū)域的表面粗糙度實(shí)測(cè)值分別為73、534（該樣品觀測(cè)區(qū)域的部分測(cè)量點(diǎn)起伏超出測(cè)量?jī)x器的最大量程4 μm，實(shí)際值應(yīng)略大）、840 nm（該樣品觀測(cè)區(qū)域表面起伏太大，大量數(shù)據(jù)點(diǎn)超出了4 μm 的儀器量程，實(shí)際值應(yīng)更大）。樣品端面粗糙度實(shí)測(cè)值顯著低于機(jī)加要求的表面粗糙度數(shù)值，推測(cè)可能是由于觀測(cè)區(qū)域太小以及部分測(cè)量點(diǎn)超出儀器量程導(dǎo)致的。但實(shí)測(cè)粗糙度的相對(duì)數(shù)值與要求的0.8、1.6 和3.2 μm 較接近，因此，依舊用0.8、1.6 和3.2 μm 表征3 種樣品的端面粗糙度。

圖2 不同粗糙度樣品端面顯微分析結(jié)果Fig. 2 Microscopic analysis results of copper samples with different roughnesses

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用MoS作為潤(rùn)滑劑，對(duì)3 種表面粗糙度的紫銅樣品分別在完全潤(rùn)滑和完全不潤(rùn)滑（干摩擦）兩種狀態(tài)條件下開(kāi)展SHPB 動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示，圖中Cu4×4-0.8-RH-1～Cu4×4-0.8-RH-3 表示紫銅樣品機(jī)加尺寸為 ? 4 mm×4 mm，端面粗糙度為0.8 μm，在MoS完全潤(rùn)滑的條件下開(kāi)展SHPB 實(shí)驗(yàn)的第1～3 發(fā)實(shí)驗(yàn)；Cu4×4-0.8-WRH-1～Cu4×4-0.8-WRH-3 表示紫銅樣品機(jī)加尺寸為 ? 4 mm×4 mm，端面機(jī)加粗糙度為0.8 μm，在完全無(wú)潤(rùn)滑的條件下開(kāi)展SHPB 實(shí)驗(yàn)的第1～3 發(fā)實(shí)驗(yàn)，依此類推。實(shí)驗(yàn)樣品幾何尺寸、彈速和回收試樣形狀匯總?cè)绫? 所示。

當(dāng)樣品端面機(jī)加粗糙度為0.8 μm 時(shí)，完全潤(rùn)滑樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線實(shí)驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性良好，無(wú)潤(rùn)滑樣品應(yīng)力-應(yīng)變曲線的一致性也較好，但屈服強(qiáng)度和整體塑性流動(dòng)應(yīng)力水平更高，如圖3(a)所示。這主要是由于端面無(wú)潤(rùn)滑時(shí)引入的較大端面摩擦力提高了樣品的塑性流動(dòng)應(yīng)力水平，與此同時(shí)，樣品端面摩擦力提高了樣品的應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜程度，這也導(dǎo)致無(wú)潤(rùn)滑樣品應(yīng)力-應(yīng)變曲線分散性略有增加，并使得回收樣品為鼓形，如表1 所示。當(dāng)樣品端面機(jī)加粗糙度為1.6 μm 時(shí)，完全潤(rùn)滑樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線實(shí)驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性依舊較好（回收樣品略帶鼓形），且優(yōu)于無(wú)潤(rùn)滑狀態(tài)樣品（回收樣品為鼓形），如圖3(b)和表1 所示。但二者的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在塑性流動(dòng)段幾乎重合，且與端面粗糙度為0.8 μm 的無(wú)潤(rùn)滑樣品的塑性流動(dòng)段也幾乎重合，如圖3(d)所示（匯總所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并根據(jù)GJB3756-99 中的B 類評(píng)估方法，置信因子取1.732）。這表明MoS已經(jīng)無(wú)法有效降低端面粗糙度為1.6 μm 的樣品的端面摩擦力。當(dāng)樣品端面粗糙度為3.2 μm 時(shí)，潤(rùn)滑和無(wú)潤(rùn)滑樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線整體幾乎重合，難以區(qū)分，且各自應(yīng)力-應(yīng)變曲線的一致性均較差（回收樣品的鼓形也更顯著），如圖3(c)～(d)和表1 所示。圖3(c)中的數(shù)據(jù)分散性大可能存在以下原因：（1）酸蝕后由較大表面粗糙度引入的端面摩擦力進(jìn)一步強(qiáng)化了樣品的應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜程度，導(dǎo)致樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分散性也進(jìn)一步增大；（2）由于酸蝕是由點(diǎn)到面的腐蝕過(guò)程，導(dǎo)致腐蝕后樣品輪廓尺寸精度較低（幾乎所有腐蝕樣品直徑在兩個(gè)相互垂直方向上的實(shí)測(cè)值均相差0.02 mm 左右，表明腐蝕后的樣品已不是標(biāo)準(zhǔn)圓柱體），導(dǎo)致測(cè)量得到的樣品尺寸值（二次測(cè)量平均值）與實(shí)際值存在較大誤差，進(jìn)而增加了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分散性。圖3(d)中酸蝕后樣品應(yīng)力-應(yīng)變曲線的塑性流動(dòng)應(yīng)力水平也整體較低，這可能是由于酸蝕在樣品外壁面引入的腐蝕缺陷充當(dāng)了預(yù)置損傷的角色，降低了材料的整體強(qiáng)度。

圖3 不同粗糙度紫銅的SHPB 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig. 3 Experimental results of copper with different roughnesses

表1 樣品尺寸和彈速實(shí)測(cè)值以及回收樣品形狀Table 1 Measured values of sample size and velocity, and the shapes of recovered samples

表1（續(xù)）Table 1 (Continued)

3 分析與討論

由以上3 種不同表面粗糙度紫銅樣品在完全潤(rùn)滑和完全無(wú)潤(rùn)滑兩種工況條件下的常溫SHPB 實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，樣品表面粗糙度越大，引入的端面摩擦力越大，數(shù)據(jù)的分散性也越大，置信度越低，如圖3所示。表面粗糙度為0.8 和1.6 μm 的樣品在充分潤(rùn)滑條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果雖然存在一定偏差，但整體差異低于5%，這在不過(guò)分追求實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)置信度的工況條件下是可以接受的。與此同時(shí)，部分材料（尤其存在織構(gòu)和非均勻性較大的材料）自身性能的分散性可能大于5%，且常規(guī)金屬樣品外表面很容易達(dá)到1.6 μm 的機(jī)加粗糙度，這導(dǎo)致關(guān)于樣品外表面粗糙度微小差異對(duì)SHPB 實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響的量化分析研究一直較少。但部分特殊工況條件下，樣品外表面難以達(dá)到1.6 μm 的粗糙度，例如傳統(tǒng)機(jī)加會(huì)在鈹?shù)炔牧系耐獗诿嬉胼^大的機(jī)加損傷區(qū)，從而影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因此實(shí)驗(yàn)前通常采用腐蝕液腐蝕掉一定厚度的樣品外壁面來(lái)避免機(jī)加損傷區(qū)對(duì)材料性能的影響，這就導(dǎo)致最終樣品的表面粗糙度較大?；谝陨喜煌植诙茸香~的SHPB 實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，腐蝕會(huì)顯著增加樣品的表面粗糙度，進(jìn)而提高樣品的端面摩擦力，且MoS并不能有效消減端面粗糙度大于1.6 μm 的樣品的端面摩擦力。采用SHPB 實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究表面粗糙度較大樣品的本構(gòu)關(guān)系時(shí)，需采取更有效的潤(rùn)滑措施消減樣品端面的摩擦力，或在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中扣除端面摩擦力的影響，對(duì)原始數(shù)據(jù)做必要的修正，才能夠獲得置信度較高的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

相同加工工藝條件引入的機(jī)加損傷深度基本固定。因此，研究鈹?shù)却嬖谳^強(qiáng)機(jī)加損傷行為的材料的本構(gòu)關(guān)系時(shí)，可通過(guò)提高樣品尺寸的方式降低機(jī)加損傷區(qū)域的體積占比，從而減小機(jī)加損傷區(qū)域?qū)Σ牧险w力學(xué)性能的影響，機(jī)加損傷區(qū)的體積占比為1 -(1-2δ/)(1-2δ/) ，樣品的初始設(shè)計(jì)尺寸（和）越大，機(jī)加損傷區(qū)的體積占比就越小，如圖4 所示。假定機(jī)加損傷區(qū)厚度恒定為0.5 mm，則機(jī)加損傷區(qū) ? 2 mm×2 mm、?4 mm×4 mm 和? 6 mm×6 mm 樣品的體積占比分別為87.5%、57.8%和42.1%。但如果想量化評(píng)估機(jī)加損傷區(qū)對(duì)材料本構(gòu)關(guān)系的影響，還需進(jìn)一步評(píng)估樣品尺寸效應(yīng)、加載狀態(tài)（應(yīng)變率效應(yīng)）等因素的影響，相關(guān)工作將在后續(xù)研究中作更詳細(xì)的介紹。

圖4 機(jī)加損傷區(qū)相對(duì)樣品的占比示意圖Fig. 4 Schematic diagram of volume ratio of the machined damage region

4 結(jié) 論

通過(guò)機(jī)械加工和腐蝕液腐蝕的方式制備了3 種不同典型表面粗糙度的紫銅樣品，并基于SHPB 實(shí)驗(yàn)技術(shù)在MoS充分潤(rùn)滑和完全無(wú)潤(rùn)滑兩種工況下，研究了樣品粗糙度和端面潤(rùn)滑對(duì)紫銅SHPB 動(dòng)態(tài)壓縮本構(gòu)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，得出以下結(jié)論。

（1）樣品表面粗糙度越大，引入的端面摩擦力越大，樣品的受力狀態(tài)越偏離一維應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線數(shù)據(jù)的分散性越大。

（2）MoS能夠有效消減表面粗糙度為0.8 μm 的樣品的端面摩擦力，但對(duì)表面粗糙度大于1.6 μm 的樣品端面摩擦力的消減效果極為有限。

（3）開(kāi)展表面粗糙度較大（＞1.6 μm）樣品的SHPB 實(shí)驗(yàn)研究時(shí)，需采用比MoS更有效的潤(rùn)滑措施消減端面摩擦力，或在數(shù)據(jù)處理時(shí)扣除端面摩擦力的影響，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正才能夠獲得準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（4）采用腐蝕液腐蝕材料外表面的方法雖然能夠有效消除鈹?shù)炔牧贤獗诿娴臋C(jī)加損傷區(qū)，但會(huì)顯著降低樣品尺寸精度，尤其是會(huì)提高樣品端面粗糙度，進(jìn)而提高端面摩擦力，降低實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和置信度。通過(guò)提高鈹樣品的幾何尺寸，降低機(jī)加損傷區(qū)的體積占比，從而降低機(jī)加損傷區(qū)的影響程度或許是獲取鈹材料高精度動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系參數(shù)的一個(gè)可行方法。