CN107560952A - 一种金属材料动态压缩变形及失效行为的准原位实验方法 - Google Patents

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骆雨萌
叶文君
惠松骁
于洋
宋晓云
刘睿
张文婧
王翘楚
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Abstract

本发明属于材料动态力学实验领域的一种金属材料动态压缩变形及失效行为的准原位实验方法。该实验方法具体步骤是：(1)制备D柱型试样并抛光侧面，观察试样变形前的组织形貌及晶粒取向；(2)对试样进行单轴动态压缩加载；(3)对压缩后试样同一区域进行组织形貌及晶粒取向的准原位观察；(4)在相同应变率及变形温度下对该试样再次进行单轴动态压缩使总应变增大；(5)重复步骤(3)至(4)直至试样破坏；对观察到的组织形貌及晶粒取向信息进一步分析，还原组织在动态压缩变形及失效过程中的变化。本发明公开的方法可揭示金属材料在应变率为103s‑1～104s‑1、变形温度为20℃～400℃的动态压缩变形及失效行为。

Description

一种金属材料动态压缩变形及失效行为的准原位实验方法
技术领域
本发明属于材料动态力学实验领域，特别涉及一种金属材料动态压缩变形及失效行为的准原位实验方法。
背景技术
材料动态变形及失效行为是指材料在高应变率(高于5/s)条件下的力学行为，涉及到如爆炸成形、冲击合成、高速侵彻和冲击防护等诸多民用及军用领域。研究已证实，材料的动态力学行为和准静态力学行为之间存在明显差异：在准静态条件下，材料发生变形的应变速率较低，材料内部的每个单元在任何时间点都可视为处于应力平衡和热平衡的状态；而在动态条件下，变形的应变速率较高，此时材料内部则偏离了应力平衡状态和热平衡的状态，不仅变形机制可能与准静态下发生区别，而且还有可能发生准静态条件下不会出现的破坏方式(如绝热剪切破坏)。因此，仅了解材料的准静态力学行为并不能帮助研究人员预测材料在高应变率下的宏观动态力学性能和失效条件。为了改进材料设计，提高材料在动态条件下的使用性能，就需要深入研究材料的动态变形及失效行为。
然而，对材料动态变形及失效行为的研究与常见的准静态力学行为研究有显著区别。众所周知，在准静态条件下，材料的变形行为特别是在变形时组织细节特征的变化过程是可以阐明的。这一方面是由于准静态实验过程中连续取样方便，可以据此实现组织变形过程的连续观察；另一方面，研究人员也可以通过在扫描或透射电子显微镜中增加拉伸或压缩装置，实现对材料变形时微小区域内组织变化的全过程进行详细记录，这种研究方法称为原位(In-Situ)观察法。除此之外，通过激光扫描共聚焦显微镜也可以对微小区域按时间序列拍摄成像，实现无外力作用下观测区域中组织演变的毫秒级定时定量分析。然而材料动态变形及失效过程极短(小于100μs)，至今还没有一种有效的实验手段可以对这一瞬间微观组织的变化过程按时间序列进行记录。虽然，利用霍普金森系统和限位装置可以实现材料的应变“冻结”，即使材料在动态变形达到某应变量时停止变形过程，然而由于试样形状的限制(以往试样的形状特点：垂直于加载轴方向的剖面为圆形面或环形面)，试样侧面无法抛光，需要将试样沿轴向切开并进行表面处理后才能获得组织信息，因此，观察后的试样由于不复原有形状无法在相同条件下再次被加载，也就无法获得同一区域内组织的连续变形过程，即不是一种“原位”的连续观察分析。
目前针对材料动态变形及失效行为的研究仍采用了“终态”观察法，即仅对材料变形或失效后的微观组织进行观察，随后通过观察到的现象反推变化过程，这就导致动态变形至失效过程中滑移系及孪生系的开动顺序、裂纹的形核位置及扩展路径等等信息无法获知，也就无从掌握动态变形及失效过程中显微组织变化的全过程。若要深入了解材料动态变形及失效行为，就需要解决材料动态变形及失效过程无法连续观察的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属材料动态压缩变形及失效行为的准原位实验方法，其特征在于，
所述实验方法具体步骤如下：
(1)制备试样并抛光侧面，采用扫描电子显微镜成像分析和电子背散射衍射分析方法观察试样变形前侧面上标记区域内的组织形貌及晶粒取向；
(2)对步骤(1)所制得的试样进行单轴动态压缩加载；
(3)对步骤(2)所压缩的试样上的标记区域进行组织形貌及取向的准原位观察；
(4)对步骤(3)所观察完毕进行应变率及变形温度均与步骤(2)一致、总应变量增加的单轴动态压缩；
(5)重复步骤(3)至步骤(4)直至试样破坏。
所述步骤(1)中使用的试样为平行于轴向侧切的D柱型试样。
所述D柱型试样直径为侧切边长度等于半径，高度等于直径，试样满足多次加载和重复观测的要求。
所述步骤(2)中单轴动态压缩加载设备为分离式霍普金森压杆，控制动态加载应变的装置为限位环，控制动态变形温度的设备为套杆式电阻加热装置。
所述步骤(2)中单轴动态压缩加载的金属材料变形的应变率为103s-1～104s-1、应变量为0.03～0.06、变形温度为20℃～400℃。
所述步骤(4)中总应变量增加的量为0.05～0.10。
通过对观察到的组织形貌及晶粒取向信息进行进一步对比分析并还原组织的变化过程，以揭示金属材料的动态压缩变形及失效行为。
本发明的有益效果为：
(1)本发明通过使用D柱型试样，满足了准原位实验中试样可多次加载及重复观测的要求，解决了传统动态实验过程中观测后的试样无法在相同条件下再次加载的问题。
(2)通过使用限位环控制应变量，解决了动态试验中无法连续取样观察的问题。
(3)通过使用分离式霍普金森压杆系统作为加载装置，实现了金属材料在应变率为103s-1～104s-1、变形温度为20℃～400℃的动态压缩变形及失效，并满足了对同一试样进行重复加载时应变率、变形温度及应力状态等加载条件均与上一轮加载一致的要求。
附图说明
图1是一种金属材料动态压缩变形及失效行为的准原位实验方法所使用的D柱型试样的示意图；
a：俯视图 b：主视图
具体实施方式
本发明提供了一种金属材料动态压缩变形及失效行为的准原位实验方法，下面结合实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1
一种金属材料动态变形及失效行为的准原位实验分析方法，所述方法具体步骤如下：
(1)将纯钛制备成的D柱型试样，抛光侧面，标记观测区，利用扫描电子显微镜成像分析和电子背散射衍射分析方法观察标记区域内组织形貌及晶粒取向；
(2)对步骤(1)所制得的试样在的分离式霍普金森压杆上进行应变率为3000s-1、应变量为0.03、变形温度为200℃的单轴动态压缩加载；
(3)对步骤(2)所压缩的试样上的标记区域进行组织形貌及晶粒取向的准原位观察；
(4)对步骤(3)所观察完毕进行应变率及变形温度均与步骤(2)一致、总应变量增量为0.10的单轴动态压缩；
(5)重复步骤(3)至步骤(4)直至试样破坏；
将通过以上方法观察到的组织形貌及晶粒取向信息进行分析并还原组织的变化过程，以揭示金属材料的动态压缩变形及失效行为。
实施例2
一种金属材料动态变形及失效行为的准原位实验分析方法，所述方法具体步骤如下：
(1)将铝合金制备成的D柱型试样，抛光侧面，标记观测区，利用扫描电子显微镜成像分析和电子背散射衍射分析方法观察标记区域内组织形貌及晶粒取向；
(2)对步骤(1)所制得的试样在的分离式霍普金森压杆上进行应变率为3000s-1、应变量为0.05、变形温度为100℃的单轴动态压缩加载；
(3)对步骤(2)所压缩的试样上的标记区域进行组织形貌及晶粒取向的准原位观察；
(4)对步骤(3)所观察完毕进行应变率及变形温度均与步骤(2)一致、总应变量增量为0.10的单轴动态压缩；
(5)重复步骤(3)至步骤(4)直至试样破坏；
将通过以上方法观察到的组织形貌及晶粒取向信息进行分析并还原组织的变化过程，以揭示金属材料的动态压缩变形及失效行为。
实施例3
一种金属材料动态变形及失效行为的准原位实验分析方法，所述方法具体步骤如下：
(1)将钢制备成的D柱型试样，抛光侧面，标记观测区，利用扫描电子显微镜成像分析和电子背散射衍射分析方法观察标记区域内组织形貌及晶粒取向；
(2)对步骤(1)所制得的试样在的分离式霍普金森压杆上进行应变率为5000s-1、应变量为0.05、变形温度为20℃的单轴动态压缩加载；
(3)对步骤(2)所压缩的试样上的标记区域进行组织形貌及晶粒取向的准原位观察；
(4)对步骤(3)所观察完毕进行应变率及变形温度均与步骤(2)一致、总应变量增量为0.05的单轴动态压缩；
(5)重复步骤(3)至步骤(4)直至试样破坏；
将通过以上方法观察到的组织形貌及晶粒取向信息进行分析并还原组织的变化过程，以揭示金属材料的动态压缩变形及失效行为。
实施例4
一种金属材料动态变形及失效行为的准原位实验分析方法，所述方法具体步骤如下：
(1)将镁合金制备成的D柱型试样，抛光侧面，标记观测区，利用扫描电子显微镜成像分析和电子背散射衍射分析方法观察标记区域内组织形貌及晶粒取向；
(2)对步骤(1)所制得的试样在的分离式霍普金森压杆上进行应变率为4000s-1、应变量为0.03、变形温度为20℃的单轴动态压缩加载；
(3)对步骤(2)所压缩的试样上的标记区域进行组织形貌及晶粒取向的准原位观察；
(4)对步骤(3)所观察完毕进行应变率及变形温度均与步骤(2)一致、总应变量增量为0.05的单轴动态压缩；
(5)重复步骤(3)至步骤(4)直至试样破坏；
将通过以上方法观察到的组织形貌及晶粒取向信息进行分析并还原组织的变化过程，以揭示金属材料的动态压缩变形及失效行为。

Claims (7)

1.一种金属材料动态压缩变形及失效行为的准原位实验方法，其特征在于，所述实验方法具体步骤如下：
(1)制备试样并抛光侧面，采用扫描电子显微镜成像分析和电子背散射衍射分析方法观察试样变形前侧面上标记区域内的组织形貌及晶粒取向；
(2)对步骤(1)所制得的试样进行单轴动态压缩加载；
(3)对步骤(2)所压缩的试样上的标记区域进行组织形貌及取向的准原位观察；
(4)对步骤(3)所观察完毕进行应变率及变形温度均与步骤(2)一致、总应变量增加的单轴动态压缩；
(5)重复步骤(3)至步骤(4)直至试样破坏。
2.根据权利要求1所述的金属材料动态压缩变形及失效行为的准原位实验方法，其特征在于，所述步骤(1)中使用的试样为平行于轴向侧切的D柱型试样。
3.根据权利要求2所述的金属材料动态压缩变形及失效行为的准原位实验方法，其特征在于，所述D柱型试样直径为侧切边长度等于半径，高度等于直径。
4.根据权利要求1所述的金属材料动态压缩变形及失效行为的准原位实验方法，其特征在于，所述步骤(2)中单轴动态压缩加载设备为分离式霍普金森压杆，控制动态加载应变的装置为限位环，控制动态变形温度的设备为套杆式电阻加热装置。
5.根据权利要求1所述的金属材料动态压缩变形及失效行为的准原位实验方法，其特征在于，所述步骤(2)中单轴动态压缩加载的金属材料变形的应变率为103s-1～104s-1、应变量为0.03～0.06、变形温度为20℃～400℃。
6.根据权利要求1所述的金属材料动态压缩变形及失效行为的准原位实验方法，其特征在于，所述步骤(4)中总应变量增加的量为0.05～0.10。
7.根据权利要求1-6任一项权利要求所述的金属材料动态压缩变形及失效行为的准原位实验方法，其特征在于，通过对观察到的组织形貌及晶粒取向信息进行进一步对比分析并还原组织的变化过程，以揭示金属材料的动态压缩变形及失效行为。
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