CN108254264A - 一种金属材料动态剪切变形及失效行为的准原位实验方法 - Google Patents

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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技术领域的一种金属材料动态剪切变形及失效行为的准原位实验方法。该实验方法的具体步骤是：(1)制备方帽型试样并抛光侧面，观察试样变形前的组织形貌及晶粒取向；(2)对试样进行动态剪切加载；(3)对加载后试样进行组织形貌及晶粒取向的准原位观察；(4)在相同应变率下对该试样再次进行动态加载使总应变增大；(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进一步分析，还原组织在动态剪切变形及失效过程中的变化。通过采用本发明公开研究分析方法可揭示金属材料在应变率为104s‑1～105s‑1动态剪切变形及失效行为。

Description

一种金属材料动态剪切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技术领域，特别涉及一种金属材料动态剪切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。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。
研究材料的动态变形及失效行为需要密切关注其发生破坏前组织的衍化过程，包括：滑移系的开动、孪生系的开动及位错与孪生的相互作用等，这与材料准静态变形行为研究所关注的问题一致。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，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加载装置，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。本申请发明人已提出采用满足“多次加载及重复观测”需求的D柱形试样，并利用霍普金森系统和限位装置实现材料的应变“冻结”，以此方法研究金属材料在动态压缩应力状态下的变形及失效行为；然而，D柱型试样仅满足单轴动态压缩应力状态下的研究，无法使材料处于动态纯剪切的应力状态。
众所周知，在高速加载条件下，材料常因发生绝热剪切破坏致使失效，因此，除单轴动态压缩应力状态以外，还应关注材料处于动态纯剪切时的变形及失效行为。目前为实现动态纯剪切的应力状态，研究人员常采用圆帽型试样。使用圆帽型试样进行研究时，在一次加载后若想观察组织的变化过程，需要将试样沿轴线方向剖开再进行金相制样，然而剖开的试样已不复之前的形状，无法进行再次加载，即圆帽型试样的形状特征不能满足原位组织观察对试样提出的“多次加载及重复观测”的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属材料动态剪切变形及失效行为的准原位实验方法，所述实验方法包括以下步骤：
(1)制备方帽型试样，抛光方帽型试样侧面，将因形状因素会发生剪切变形的区域进行标记，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的组织形貌及晶粒取向；
(2)对步骤(1)所制得的试样进行动态剪切加载，对所加载试样的标记区域进行组织形貌及取向的准原位观察；
(3)重复步骤(2)使试样总应变量增加，直至试样破坏。
所述步骤(1)中方帽型试样左右中心对称，试样厚度z为3mm～5mm，试样高度h＝h1+h2+h3，试样底部凹陷部分宽度ω3＞试样顶部凸起部分宽度ω1，试样顶部凸起部分高度h1＝剪切区高度h2＝试样底部凹陷部分高度h3；试样中包含两个对称的剪切区，剪切区宽度τ为0.5mm～1.5mm，剪切区高度h2为3mm～5mm。
所述方帽型金属试样在动态加载前，用于观察的形状为帽型的侧面已抛光，侧面上因为形状因素会发生剪切的区域可进行显微组织观察，满足准原位实验中对同一试样多次加载和重复观测的要求。
所述步骤(2)中动态剪切加载设备为分离式霍普金森压杆，对试样进行动态剪切加载时，配合使用限位环，利用限位环控制控制试样应变量。
所述步骤(2)中动态剪切加载的应变率为104s-1～105s-1、应变量为0.1～0.2。
所述步骤(3)中逐次动态剪切加载时，总应变量每次增加量均为0.1～0.2，应变率与步骤(2)中应变率相同。
所述方法通过配合高度逐渐减小的限位环进行逐次加载，实现试样的总应变量逐渐增大，每次动态剪切加载后，均利用扫描电镜对观测面剪切区的相同位置进行组织形貌及晶粒取向信息观察记录分析；通过对比分析不同动态变形应变量下相同观测区域内组织形貌及晶粒取向信息，还原材料动态剪切变形及失效全过程，揭示金属材料的动态剪切变形及失效行为。
本发明的有益效果为：
(1)本发明通过使用方帽型试样，一方面满足动态纯剪切的应力状态，另一方面满足可以“多次加载及重复观测”的原位组织观察要求，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)本发明通过配合限位环控制试样应变量，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104s-1～105s-1的动态剪切加载，获得了材料在动态剪切应力状态下的变形及失效过程，进而揭示了金属材料在动态剪切变形及失效过程中组织的演变过程。
附图说明
图1是本发明提供的一种金属材料动态剪切变形及失效行为的准原位实验方法中所用方帽型金属试样示意图；其中a：主视图，b：俯视图；
标号说明：1-剪切区。
具体实施方式
本发明提供了一种金属材料动态剪切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。
本发明方帽型试样的主视图和俯视图，如图1中a、b所示，方帽型试样左右中心对称，试样整体宽度为ω，高度为h，厚度z为3mm～5mm；
方帽型试样顶部凸起部分宽度为ω1，高度为h1；底部凹陷部分宽度为ω3，高度为h3；试样中包含两个对称的剪切区1，剪切区1宽度τ为0.5mm～1.5mm，剪切区高度h2为3mm～5mm，剪切区厚度于剪切区高度h2，剪切区厚度等于方帽型试样厚度z。
其中试样各部分尺寸满足以下条件：ω3＞ω1，h1＝h2＝h3，h＝h1+h2+h3，剪切区1宽度τ＜ω3-ω1。
实施例1
纯钛材料的动态剪切变形及失效行为的准原位实验方法，包括以下步骤：
(1)将纯钛材料制备成方帽型金属试样，试样厚度z为3mm，试样宽度ω＝8mm，试样高度h＝9mm；顶部凸起部分宽度ω1＝3mm，高度为h1＝3mm；底部凹陷部分宽度ω3＝5mm，高度h3＝3mm；试样中包含两个对称的剪切区1，剪切区1宽度τ为1mm，剪切区高度h2＝3mm；抛光形状为帽型的侧面，在该侧面上的剪切区中做标记，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的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20000s-1、应变量为0.1的动态剪切加载，对所加载试样的标记区域进行组织形貌及取向的准原位观察；
(3)观察完后，重复步骤(2)直至试样破坏，其中每次动态剪切加载时，应变率与步骤(2)一致，总应变量逐次增加0.1。
实施例2
铝合金材料的动态剪切变形及失效行为的准原位实验方法，包括以下步骤：
(1)将铝合金材料制备成方帽型金属试样，试样整体宽度ω＝8mm，高度h＝12mm，厚度z为4mm；方帽型试样顶部凸起部分宽度ω1＝3mm，高度h1＝4mm；底部凹陷部分宽度ω3＝4.5mm，h3＝4mm；试样中包含两个对称的剪切区1，剪切区1宽度τ为0.75mm，剪切区1高度h2＝4mm；抛光形状为帽型的侧面，在该侧面上的剪切区中做标记，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的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20000s-1、应变量为0.2的动态剪切加载，对所加载试样的标记区域进行组织形貌及取向的准原位观察；
(3)观察完后，重复步骤(2)直至试样破坏，其中每次动态剪切加载时，应变率与步骤(2)一致，总应变量逐次增加0.10。
实施例3
纯铜材料的动态剪切变形及失效行为的准原位实验方法，包括以下步骤：
(1)将纯铜材料制备成方帽型金属试样，试样整体宽度ω＝8mm，高度h＝9mm，厚度z为3mm；方帽型试样顶部凸起部分宽度ω1＝4mm，高度h1＝3mm；底部凹陷部分宽度ω3＝5mm，高度h3＝3mm；试样中包含两个对称的剪切区1，剪切区1宽度τ为0.5mm，剪切区高度h2＝3mm；抛光形状为帽型的侧面，在该侧面上的剪切区中做标记，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的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50000s-1、应变量为0.1的动态剪切加载，对所加载试样的标记区域进行组织形貌及取向的准原位观察；
(3)观察完后，重复步骤(2)直至试样破坏，其中每次动态剪切加载时，应变率与步骤(2)一致，总应变量逐次增加0.05。
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，揭示金属材料在动态剪切变形及失效过程中组织的演变过程。

Claims (6)

1.一种金属材料动态剪切变形及失效行为的准原位实验方法，其特征在于，所述实验方法包括以下步骤：
(1)制备方帽型试样，抛光侧面，并标记剪切区域，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的组织形貌及晶粒取向；
(2)对步骤(1)所制得的试样进行动态剪切加载，对所加载试样上的标记区域进行组织形貌及取向的准原位观察；
(3)重复步骤(2)使试样总应变量增加，直至试样破坏。
2.根据权利要求1所述的金属材料动态剪切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)中方帽型试样左右中心对称，试样厚度z为3mm～5mm，试样底部凹陷部分宽度ω3＞试样顶部凸起部分宽度ω1，试样顶部凸起部分高度h1＝剪切区高度h2＝试样底部凹陷部分高度h3；试样中包含两个对称的剪切区，剪切区宽度τ为0.5mm～1.5mm，剪切区高度h2为3mm～5mm。
3.根据权利要求1所述的金属材料动态剪切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)中动态剪切加载设备为分离式霍普金森压杆，动态剪切加载时，利用限位环控制控制试样应变量。
4.根据权利要求1所述的金属材料动态剪切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)中动态剪切加载的应变率为104s-1～105s-1、应变量为0.1～0.2。
5.根据权利要求1所述的金属材料动态剪切变形及失效行为的准原位实验方法，其特征在于，所述步骤(3)中试样总应变量每次均增加0.1～0.2，应变率与步骤(2)中应变率相同。
6.根据权利要求1-5任一项权利要求所述的金属材料动态剪切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剪切变形及失效行为。
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