纯铁药型罩材料的动态应力-应变行为

D01:10.133741.ism1001053x.2009.08.007 第31卷第8期 北京科技大学学报 Vol.31 No.8 2009年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Ag2009 纯铁药型罩材料的动态应力一应变行为 包卫平)任学平)金宏全2 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)中钢集团工程设计研究院有限公司.北京100080 摘要利用Hopkinson杆技术对经930℃下退火2h的纯铁药型罩材料进行了冲击压缩实验，测定了该材料在不同应变率 下的动态应力应变关系.借助光学显微镜对变形后纯铁的组织进行了观察，研究了在不同应变率下变形过程中纯铁的组织 演变和动态应力应变行为.研究表明：在650~3850s1的应变率范围内，纯铁药型罩材料有显著的李生变形，发生了明显的 应变强化和应变率强化效应，且最大应变也随应变率的提高而增加：在高应变率冲击下，李生和滑移是纯铁的主要塑性变形 机制.也是纯铁高应变率增强增塑的主要机制 关键词纯铁：应力应变关系：李生：冲击载荷 分类号TG113.1 Dynamic stress-strain behavior of pure iron for shaped charge liners BAO Wei-ping).REN Xue-ping.JIN Hongquan) 1)School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China 2)Sinosteel Engineering Design Research Instit ute Ltd..Beijing 100080 China ABSTRACT The shock compression experiments of pure iron for shaped charge liners after annealing at 930C for 2h were carried out with the split Hopkinson pressure bar apparatus,and its dynamic stressstrain relationships were measured at different strain rates.The microstructure of the deformed pure iron was examined by optical microscope.The microstructure evolution occurring at different strain rates and dynamic stressstrain behavior were investigated.It is shown that pure iron for shaped charge liners has the twinning structure after impact compression.The effect of work-hardening and strain rate strengthening for pure iron occurs at the strain rates of 650 to 3850s,and the maximum strain also rises with increasing strain rate.Twinning and slipping are the plastic deformation mechanism of pure iron under the shock of high strain rate,w hich leads to the increase in both stength and plasticity at high strain rate for pure iron. KEY WORDS pure iron:stressstrain relationship twinning:shock load 对材料动态特性研究的中心任务之一就是建立 种软化效应使金属或合金表现出比较高的塑性，如 能描述材料在各种载荷条件下的力学本构模型及其 爆炸成形弹丸(explosively fomed projectile,EFP) 应变速率相关性.在过去的几十年中，人们对材料 所经历的塑性变形达100%~300%4.在EFP过 的动态变形行为进行了广泛的研究刂.在动态加载 程中，药型罩被压溃后材料的变形实质是一个动态 条件下，材料的应力一应变响应特征因材质或显微 力学行为，只有动态力学性能才是真实反映材料变 组织不同而差异很大.大多数金属与合金的流变应 形时的实际性能.药形罩材料的动态本构关系模型 力随应变速率的增加而提高，表现出应变强化效应.的建立是准确进行EP成形数值模拟分析的前提， Myes等的研究到表明，强化机制是冲击波使材因此研究药型罩材料在复杂条件下的动态力学性能 料内产生多种高密度缺陷，包括位错、孪晶、层错或 对于EP战斗部设计具有重要的意义.纯铁是重 者发生相变.但是短脉冲强冲击强化效应在某一峰 要的EFP药型罩材料，文献[49对纯铁变形性能 压时达到极限，软化效应已开始与强化效应平衡，这 的影响因素进行了研究，但对纯铁在高应变率条件 收稿日期：200809-18 作者简介：包卫平(1977一)，男.博士研究生：任学平(1957-），男，教授，博士生导师，E-maik rxp33@mm.us山.cu.cm

纯铁药型罩材料的动态应力-应变行为 包卫平1) 任学平1) 金宏全2) 1) 北京科技大学材料科学与工程学院, 北京 100083 2) 中钢集团工程设计研究院有限公司, 北京 100080 摘 要 利用 Hopkinson 杆技术对经 930 ℃下退火 2 h 的纯铁药型罩材料进行了冲击压缩实验, 测定了该材料在不同应变率 下的动态应力-应变关系.借助光学显微镜对变形后纯铁的组织进行了观察, 研究了在不同应变率下变形过程中纯铁的组织 演变和动态应力-应变行为.研究表明:在 650～ 3 850 s -1的应变率范围内, 纯铁药型罩材料有显著的孪生变形, 发生了明显的 应变强化和应变率强化效应, 且最大应变也随应变率的提高而增加;在高应变率冲击下, 孪生和滑移是纯铁的主要塑性变形 机制, 也是纯铁高应变率增强增塑的主要机制 . 关键词 纯铁;应力应变关系;孪生;冲击载荷 分类号 TG113 .1 Dynamic stress-strain behavior of pure iron for shaped charge liners BAO Wei-ping 1) , REN Xue-ping 1) , JIN Hong-quan 2) 1) School of Mat erials Science and Engineering, University of S cience and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Sinosteel Engineering Design &Research Institute Ltd., Beijing 100080, China ABSTRACT The shock compressio n experiments of pure iron fo r shaped charge liners after annealing at 930 ℃ for 2 h were carried out with the split Hopkinson pressure bar apparatus, and its dynamic stress-strain relationships were measured at different strain rates.The microstructure of the deformed pure iron was ex amined by optical microsco pe.The microstructure evolution occurring at different strain rates and dynamic stress-strain behavior were investigated.It is shown that pure iron for shaped charge liners has the twinning structure after impact compression.The effect of wo rk-hardening and strain rate streng thening for pure iron occurs at the strain rates of 650 to 3850 s -1 , and the max imum strain also rises with increasing strain rate.Twinning and slipping are the plastic defo rma tio n mechanism of pure iron under the shock of high strain rate, w hich leads to the increase in both strength and plasticity at hig h strain rate for pure iron . KEY WORDS pure iron ;stress-strain relationship;tw inning;shock load 收稿日期:2008-09-18 作者简介:包卫平( 1977—) , 男, 博士研究生;任学平( 1957—) , 男, 教授, 博士生导师, E-mail:rxp33@mat er .ustb.edu.cn 对材料动态特性研究的中心任务之一就是建立 能描述材料在各种载荷条件下的力学本构模型及其 应变速率相关性.在过去的几十年中, 人们对材料 的动态变形行为进行了广泛的研究 [ 1] .在动态加载 条件下, 材料的应力-应变响应特征因材质或显微 组织不同而差异很大 .大多数金属与合金的流变应 力随应变速率的增加而提高, 表现出应变强化效应 . M eyers 等的研究[ 2-3] 表明, 强化机制是冲击波使材 料内产生多种高密度缺陷, 包括位错、孪晶、层错或 者发生相变.但是短脉冲强冲击强化效应在某一峰 压时达到极限, 软化效应已开始与强化效应平衡, 这 种软化效应使金属或合金表现出比较高的塑性, 如 爆炸成形弹丸( explosively fo rmed projectile, EFP) 所经历的塑性变形达 100 %～ 300 %[ 4] .在 EFP 过 程中, 药型罩被压溃后材料的变形实质是一个动态 力学行为, 只有动态力学性能才是真实反映材料变 形时的实际性能.药形罩材料的动态本构关系模型 的建立是准确进行 EFP 成形数值模拟分析的前提, 因此研究药型罩材料在复杂条件下的动态力学性能 对于 EFP 战斗部设计具有重要的意义 .纯铁是重 要的 EFP 药型罩材料, 文献[ 4-9] 对纯铁变形性能 的影响因素进行了研究, 但对纯铁在高应变率条件 第 31 卷 第 8 期 2009 年 8 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .31 No.8 Aug.2009 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2009.08.007

第8期 包卫平等：纯铁药型罩材料的动态应力一应变行为 ·979 。 下的力学行为研究相对较少.本文利用Hopkinson 中氦气的气压，利用压缩气体来推动子弹，这样通过 压杆技术对作为药型罩材料的纯铁进行动态力学性 控制气体压力可以稳定地控制冲击速度，使子弹以 能测试，对纯铁在高应变率下的应力一应变行为及 一定的速度撞击SHPB装置的入射杆.短试件夹在 高速塑性变形机制进行了研究，为纯铁EFP战斗部 两杆之间，当子弹以一定的速度撞击入射杆时，将产 设计提供基础数据. 生一入射弹性应力脉冲.当该应力脉冲到达入射杆 1实验方法 和试样界面时，一部分被反射，形成反射波反射回入 射杆；另一部分将透射入试样，形成透射波.随着透 11实验条件 射波传播通过试件，试件发生高速塑性变形，相应的 实验材料为专门研制用于EFP药型罩材料的 透射波传入投射杆中，透射波由吸收杆捕获”，并最 纯铁，材料在930℃下经2h退火，其化学成分如表 后由阻尼器吸收.整个应力波传播过程可利用贴在 1所示.根据实验设备的相关参数，设计动态试件 入射杆和投射杆上的应变片进行记录，根据实验所 尺寸为8mm×6mm.整个实验按子弹撞击速度分 测得的入射波、反射波和透射波，在应力波分析的基 为三组，每组试件重复实验三次，实验的重复性较 础上，可得到材料的动态应力一应变关系. 好.三组实验的撞击速度分别为18,28和36 2实验结果及讨论 ms1,达到的平均应变速率分别为650,1620和 3850s1.冲击后的试样沿轴向剖开，经磨制、机械 2.1动态应力一应变关系 抛光，用4%的硝酸-乙醇溶液侵蚀，采用光学显微 根据实验获得的应变波数据，利用SHPB实验 镜观察冲击实验后的微观组织结构. 的一维假设和均匀假设计算得到材料的动态应变、 表1实验用纯铁的化学成分（质量分数） 应变率和应力.在实验中，由于反射波受弥散的影 Table I Chemical composition of pure iron for test % 响抖动过大，一般仅采用入射波和透射波计算应变、 Si Mn P S Al Fe 应变率和应力，如下列公式1所示. 00030002002100040001000199.93 应变： e(t)=- 2C ((t)-E(t))dt (1) 12实验装置 实验在分离式Hopkinson压杆(plit Hopkinson 应变率： pressure bar,,SHPB)上进行.SHPB技术的发展己 e(t)=- 2C(e()-() (2) 有近60年的历史，广泛应用于测量材料在一维应力 条件下、应变率为102~10.1时的动态力学性 应力： 能1G1.由于该系统对实验设备要求较低，而实验 o()=Ee() (3) 精度较高，因而己成为目前研究材料动态力学性能 最基本的实验装置.实验系统的原理示意图如图1 式中，e(t)为入射应变波，e:(t)为透射应变波，C 所示 E和A分别为Hopkinson压杆的波速、弹性模量和 弹托 人射杆 试样透射杆吸收杆能量吸收块 截面面积，o、A。分别为材料试件的原始长度和原 始截面积 典型试件应力、应变和应变率随时间变化的曲 线如图2所示. 对应变和应力数据进行联立，就可以得到材料 超动态应变仪 的应力一应变曲线.图3为从三组实验中得到的工 信号采集系统 程应力一应变曲线。相应的动态力学性能参数（动态 屈服强度od和最大应变em)如表2所示. 图1分离式Hopkinson压杆及测试系统示意图 在常规SHPB实验中，试样在相同的应力波冲 Fig.I Sketch of a split Hopkinson pressure bar (S HPB)and atest- 击下，由于截面面积加大，会导致试样中应变率降 ing system 低，从图2(c中的应变率随时间变化曲线可以看到 13实验原理 这种趋势.同时，截面变化也影响试样应力的真实 该实验的基本过程为：通过控制和调节气压室 大小，式(3)中计算得到的试样应力并没有考虑试样

下的力学行为研究相对较少 .本文利用 Hopkinson 压杆技术对作为药型罩材料的纯铁进行动态力学性 能测试, 对纯铁在高应变率下的应力-应变行为及 高速塑性变形机制进行了研究, 为纯铁 EFP 战斗部 设计提供基础数据. 1 实验方法 1.1 实验条件 实验材料为专门研制用于 EFP 药型罩材料的 纯铁, 材料在 930 ℃下经 2 h 退火, 其化学成分如表 1 所示.根据实验设备的相关参数, 设计动态试件 尺寸为 8 mm ×6 mm .整个实验按子弹撞击速度分 为三组, 每组试件重复实验三次, 实验的重复性较 好.三组实验 的撞击 速度分 别为 18, 28 和 36 m·s -1 , 达到的平均应变速率分别为 650, 1 620 和 3 850 s -1 .冲击后的试样沿轴向剖开, 经磨制、机械 抛光, 用 4 %的硝酸-乙醇溶液侵蚀, 采用光学显微 镜观察冲击实验后的微观组织结构 . 表 1 实验用纯铁的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of pure iron f or test % C Si Mn P S Al Fe 0.003 0.002 0.021 0.004 0.001 0.001 99.93 1.2 实验装置 实验在分离式 Hopkinson 压杆( split Hopkinson pressure bar, SHPB) 上进行 .SHPB 技术的发展已 有近 60 年的历史, 广泛应用于测量材料在一维应力 条件下、应变率为 10 2 ～ 10 4 s -1 时的动态力学性 能[ 10-11] .由于该系统对实验设备要求较低, 而实验 精度较高, 因而已成为目前研究材料动态力学性能 最基本的实验装置 .实验系统的原理示意图如图 1 所示 . 图 1 分离式 Hopkinson 压杆及测试系统示意图 Fig.1 Sketch of a split Hopkinson pressure bar (S HPB) and a t est￾ing system 1.3 实验原理 该实验的基本过程为:通过控制和调节气压室 中氦气的气压, 利用压缩气体来推动子弹, 这样通过 控制气体压力可以稳定地控制冲击速度, 使子弹以 一定的速度撞击 SHPB 装置的入射杆.短试件夹在 两杆之间, 当子弹以一定的速度撞击入射杆时, 将产 生一入射弹性应力脉冲 .当该应力脉冲到达入射杆 和试样界面时, 一部分被反射, 形成反射波反射回入 射杆;另一部分将透射入试样, 形成透射波 .随着透 射波传播通过试件, 试件发生高速塑性变形, 相应的 透射波传入投射杆中, 透射波由吸收杆“捕获”, 并最 后由阻尼器吸收.整个应力波传播过程可利用贴在 入射杆和投射杆上的应变片进行记录, 根据实验所 测得的入射波、反射波和透射波, 在应力波分析的基 础上, 可得到材料的动态应力-应变关系 . 2 实验结果及讨论 2.1 动态应力-应变关系 根据实验获得的应变波数据, 利用 SHPB 实验 的一维假设和均匀假设计算得到材料的动态应变、 应变率和应力.在实验中, 由于反射波受弥散的影 响抖动过大, 一般仅采用入射波和透射波计算应变、 应变率和应力, 如下列公式[ 11] 所示 . 应变: ε( t) =- 2C l 0 ∫ t 0 ( εi( t) -εt( t)) d t ( 1) 应变率 : ε · ( t) =- 2C l 0 ( εi( t) -εt( t)) ( 2) 应力: σ( t) = A A 0 Eεt( t) ( 3) 式中, εi( t)为入射应变波, εt( t )为透射应变波, C 、 E 和 A 分别为 Hopkinson 压杆的波速、弹性模量和 截面面积, l0 、A 0 分别为材料试件的原始长度和原 始截面积. 典型试件应力、应变和应变率随时间变化的曲 线如图 2 所示. 对应变和应力数据进行联立, 就可以得到材料 的应力-应变曲线 .图 3 为从三组实验中得到的工 程应力-应变曲线, 相应的动态力学性能参数(动态 屈服强度 σyd和最大应变 εmax )如表 2 所示 . 在常规 SHPB 实验中, 试样在相同的应力波冲 击下, 由于截面面积加大, 会导致试样中应变率降 低, 从图 2( c)中的应变率随时间变化曲线可以看到 这种趋势 .同时, 截面变化也影响试样应力的真实 大小, 式( 3) 中计算得到的试样应力并没有考虑试样 第 8 期 包卫平等:纯铁药型罩材料的动态应力-应变行为 · 979 ·

·980 北京科技大学学报 第31卷 04r 1000 6000 (b) (c) 800 5000 0.3 600 4000 慰o2叶 400 30 0.1 2000 200 1000 2040 60 80 0 20 4060 80 20 4060 时间5 时间 时间μs 图2典型的应变()、应力(b)和应变率（随时间变化曲线 Fig 2 Representat ive curves of strain (a),stress (b)and strain rate (c)with time 1000 化效应；并且随着应变率的提高，纯铁具有明显的增 强、增塑的特点 800 800, 600 -●-3820s 600 400 -0-16205 -0-650s1 200 400 -0-3820s1 -0-1620s-1 -0-650s1 0.1 0.2 0.3 0.4 工程应变 图3工程应力一应变曲线 01 0.2 0.3 04 Fig.3 Engineering stressstrain curves 真应变 表2不同应变率条件下纯铁的动态力学性能 图4真应力真应变曲线 Table 2 Dynamic mecharical propertics of pure iron at different strain Fig 4 T mue stressstrain curves mtes 2.2纯铁在高应变速率下的显微组织演变及变形 应变率山s」 动态屈服强度c/MPa最大应变E。/% 机制 650 350 5.0 由图5(a)可见，退火态(930℃下2h退火)纯铁 1620 442 124 的显微组织主要是由不规则形状的粗大铁素体晶粒 3850 526 29.3 组成，有混晶（组织不均匀）现象出现，由于实验材料 的纯度较高，只有微量细小弥散的三次渗碳体分布 的截面变化，可以修正为下式： 于晶界上，对纯铁的力学性能影响较小，高应变率 c'=o(t)(1-e(t)) 4) 冲击后，粗大的铁素体晶粒发生破碎、细化：纯铁的 式(3)可得到材料的工程应力一应变关系，而式 显微组织中出现了变形李晶（图5(b)~图5(d)),李 (4)得到的为材料的真实应力应变关系，与图3相 晶把铁素体晶粒分割成许多亚晶，随着应变率的增 对应的真实应力一应变曲线如图4所示.在低应变 加，李晶间距减小，孪晶的体积分数增加，亚晶有随 率范围内，工程应力应变曲线接近真实应力应变 应变率增加而细化的趋势.在650~3850s1的应 曲线：在高应变率范围内，真实应力与工程应力比较 变率范围内，出现了较多的细块状碎晶组织和孪晶， 有所降低. 但未形成空洞、裂纹等.这些结果表明，以粗大铁素 从图3、图4和表2可以看出，随着应变的增 体为主的显微组织在高应变率冲击下具有较强的变 大，纯铁的流变应力迅速提高，产生了剧烈的应变强 形能力和变形抗力：在高应变率冲击下粗大的铁素 化效应.总体而言，随着应变率的提高，动态屈服应 体组织得到细化，并且随着应变率的提高，孪生变形 力大幅度提高，动态应力一应变曲线呈显著上升趋 量增大，形变孪晶密度增加，大的孪生变形量吸收了 势，最大应变也显著增大：但曲线的斜率随着应变率 大量的高速冲击功，这些都是纯铁在高应变率下增 的提高而降低，表明流变应力的上升速率降低.由 强、增塑而未被破坏的根本原因. 此可见，在动态载荷下，纯铁材料具有显著的应变强 在=650s时，变形孪晶开始出现：e=1620

图 2 典型的应变( a) 、应力(b) 和应变率( c) 随时间变化曲线 Fig.2 Represent ative cu rves of strain ( a) , stress ( b) and strain rate ( c) with time 图 3 工程应力-应变曲线 Fig.3 Engineering stress-strain curves 表 2 不同应变率条件下纯铁的动态力学性能 Table 2 Dynamic mechani cal properties of pu re iron at different strain rates 应变率 ε· / s -1 动态屈服强度 σyd / MPa 最大应变 εmax / % 650 350 5.0 1 620 442 12.4 3 850 526 29.3 的截面变化, 可以修正为下式 : σ′=σ( t)( 1 -ε( t )) ( 4) 式( 3)可得到材料的工程应力-应变关系, 而式 ( 4)得到的为材料的真实应力-应变关系, 与图 3 相 对应的真实应力-应变曲线如图 4 所示.在低应变 率范围内, 工程应力-应变曲线接近真实应力-应变 曲线 ;在高应变率范围内, 真实应力与工程应力比较 有所降低 . 从图 3 、图 4 和表 2 可以看出, 随着应变的增 大, 纯铁的流变应力迅速提高, 产生了剧烈的应变强 化效应 .总体而言, 随着应变率的提高, 动态屈服应 力大幅度提高, 动态应力-应变曲线呈显著上升趋 势, 最大应变也显著增大 ;但曲线的斜率随着应变率 的提高而降低, 表明流变应力的上升速率降低.由 此可见, 在动态载荷下, 纯铁材料具有显著的应变强 化效应 ;并且随着应变率的提高, 纯铁具有明显的增 强 、增塑的特点. 图 4 真应力-真应变曲线 Fig.4 T rue stress-strain curves 2.2 纯铁在高应变速率下的显微组织演变及变形 机制 由图 5( a) 可见, 退火态( 930 ℃下 2 h 退火) 纯铁 的显微组织主要是由不规则形状的粗大铁素体晶粒 组成, 有混晶( 组织不均匀) 现象出现, 由于实验材料 的纯度较高, 只有微量细小弥散的三次渗碳体分布 于晶界上, 对纯铁的力学性能影响较小 .高应变率 冲击后, 粗大的铁素体晶粒发生破碎 、细化 ;纯铁的 显微组织中出现了变形孪晶( 图 5( b) ～ 图 5( d) ) , 孪 晶把铁素体晶粒分割成许多亚晶, 随着应变率的增 加, 孪晶间距减小, 孪晶的体积分数增加, 亚晶有随 应变率增加而细化的趋势 .在 650 ～ 3 850 s -1的应 变率范围内, 出现了较多的细块状碎晶组织和孪晶, 但未形成空洞 、裂纹等 .这些结果表明, 以粗大铁素 体为主的显微组织在高应变率冲击下具有较强的变 形能力和变形抗力;在高应变率冲击下粗大的铁素 体组织得到细化, 并且随着应变率的提高, 孪生变形 量增大, 形变孪晶密度增加, 大的孪生变形量吸收了 大量的高速冲击功, 这些都是纯铁在高应变率下增 强 、增塑而未被破坏的根本原因 . 在 ε · =650 s -1时, 变形孪晶开始出现 ;ε · =1 620 · 980 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷

第8期 包卫平等：纯铁药型罩材料的动态应力一应变行为 ·981。 100μm 100μm (d 100μm 100μm 图5纯铁在不同应变率下的光学显微组织(4%硝酸乙醇浸蚀).(=0：(b)=650s:(g=1620:1:(d一3850：1 Fig 5 Optical micngraphs of pure imon tested at different s main ntes (4%nit al)(a)=0 (b)=650s(c)=1620s (d)=3850s s1时，局部区域李晶数量急剧增加，亚晶显著细化： 孪生来调节，而如果存在着一定位错密度的亚结构 e=3850s1时李生变形扩展到整个变形区域，孪晶 时，偏应力就依靠已存在的位错运动来调节.由于 的数量继续增加，而且亚晶趋于均匀化.在光学显 退火纯铁没有可利用的亚结构，因此在冲击载荷条 微镜下观察到的碎晶组织是铁素体变形、破碎所致. 件下孪晶优先于位错运动：另外，粗大的铁素体晶粒 这是由于粗大的铁素体晶粒具有相对较低的变形抗 也促进了李晶的生成. 力，而变形能力较强，退火态纯铁主要由粗大的铁素 材料在塑性变形过程中发生的孪生变形使变形 体组成，在高应变率下这些粗大的铁素体组织发生 部分的晶体位向发生改变，可使原来处于不利取向 剧烈的孪生变形，直至晶粒破碎组织得到显著细化. 的滑移系转变为新的有利取向，进一步激发滑移：滑 分析纯铁的变形组织可知，在高应变率冲击下， 移与李生交替进行，提高了纯铁的塑性变形能力. 纯铁的塑性变形机制主要是滑移和孪生.纯铁材料 形变孪晶从铁素体晶界处向晶内贯穿，分割铁素体 的增强增塑主要有以下原因. 晶粒，而且随着应变率和应变量的增加，孪晶密度增 孪生是冲击载荷下极易造成变形的一种变形方 加且更加细小，呈交织状分布于铁素体晶粒内.实 式.通常环境温度下，常规变形不能造成孪晶的金 质上，分割晶粒后的孪晶起到了亚晶界的作用，阻碍 属，在受到冲击载荷时则会出现孪晶.在本实验中， 了位错的滑移.从而导致位错塞积，使材料难以继续 促进孪晶生成的主要因素有冲击脉冲、实验材料的 发生变形，对材料起到了强化作用，产生应变率和应 原始亚结构和晶粒尺寸.随应变率的增大，冲击压 变强化效应. 力不断增加，因而冲击速度越高，孪晶密度越高.在 纯铁在冲击载荷下，应变率很高，同时伴随产生 冲击加载条件下，位错的生成、运动和孪生可以看作 高压现象，导致产生的位错组织具有明显不同于普 是一种竞争机理，在没有位错可以利用时，冲击载荷 通加载条件下形成的位错组织特征.在高应变率冲 产生的偏应力（李生是由偏应力分量引起的就依靠 击下形成的位错密度更高，分布更均匀.根据Hom-

图 5 纯铁在不同应变率下的光学显微组织( 4%硝酸-乙醇浸蚀) .( a) ε·=0;( b) ε·=650 s -1 ;( c) ε·=1 620 s -1 ;( d) ε·=3 850 s -1 Fig.5 Optical micrographs of pure iron t est ed at different strain rates ( 4% nit al) :( a) ε ·=0;(b) ε ·=650 s -1 ;( c) ε ·=1 620 s -1 ;(d) ε ·=3 850 s -1 s -1时, 局部区域孪晶数量急剧增加, 亚晶显著细化 ; ε · =3 850 s -1时孪生变形扩展到整个变形区域, 孪晶 的数量继续增加, 而且亚晶趋于均匀化.在光学显 微镜下观察到的碎晶组织是铁素体变形 、破碎所致 . 这是由于粗大的铁素体晶粒具有相对较低的变形抗 力, 而变形能力较强, 退火态纯铁主要由粗大的铁素 体组成, 在高应变率下这些粗大的铁素体组织发生 剧烈的孪生变形, 直至晶粒破碎组织得到显著细化 . 分析纯铁的变形组织可知, 在高应变率冲击下, 纯铁的塑性变形机制主要是滑移和孪生 .纯铁材料 的增强增塑主要有以下原因. 孪生是冲击载荷下极易造成变形的一种变形方 式.通常环境温度下, 常规变形不能造成孪晶的金 属, 在受到冲击载荷时则会出现孪晶 .在本实验中, 促进孪晶生成的主要因素有冲击脉冲、实验材料的 原始亚结构和晶粒尺寸.随应变率的增大, 冲击压 力不断增加, 因而冲击速度越高, 孪晶密度越高 .在 冲击加载条件下, 位错的生成 、运动和孪生可以看作 是一种竞争机理, 在没有位错可以利用时, 冲击载荷 产生的偏应力( 孪生是由偏应力分量引起的) 就依靠 孪生来调节, 而如果存在着一定位错密度的亚结构 时,偏应力就依靠已存在的位错运动来调节 .由于 退火纯铁没有可利用的亚结构, 因此在冲击载荷条 件下孪晶优先于位错运动;另外, 粗大的铁素体晶粒 也促进了孪晶的生成. 材料在塑性变形过程中发生的孪生变形使变形 部分的晶体位向发生改变, 可使原来处于不利取向 的滑移系转变为新的有利取向, 进一步激发滑移 ;滑 移与孪生交替进行, 提高了纯铁的塑性变形能力. 形变孪晶从铁素体晶界处向晶内贯穿, 分割铁素体 晶粒, 而且随着应变率和应变量的增加, 孪晶密度增 加且更加细小, 呈交织状分布于铁素体晶粒内 .实 质上, 分割晶粒后的孪晶起到了亚晶界的作用, 阻碍 了位错的滑移, 从而导致位错塞积, 使材料难以继续 发生变形, 对材料起到了强化作用, 产生应变率和应 变强化效应 . 纯铁在冲击载荷下, 应变率很高, 同时伴随产生 高压现象, 导致产生的位错组织具有明显不同于普 通加载条件下形成的位错组织特征 .在高应变率冲 击下形成的位错密度更高, 分布更均匀.根据 Hom- 第 8 期 包卫平等:纯铁药型罩材料的动态应力-应变行为 · 981 ·

。982 北京科技大学学报 第31卷 bogen的冲击载荷下纯铁的位错生成机理模型四 crease and reduce of g rain size of pure imon at impact.J Projectiles 纯铁受冲击加载时，冲击波刚一进入到晶体中， Rockets Missiles Guid.2003.23(3):216 (李保成，赵家萍，张治民.冲击条件下纯铁品粒尺寸增大和减 (111)方向上的螺型位错就形成位错缠结，刃型位错 小现象研究.弹箭与制导学报，2003.23(3)：216 分量和被压缩部分一起以冲击波阵面速度运动，而 [5 Yang C.Jing F Q,Zhang W J.et al High strain rate deforma 螺型位错分量长度增加.因此，在高应变率冲击下， tion of Fe and Ni by shock loading.Ordnand Mater Sci Eng 铁素体晶粒内的位错迅速增多、缠结，进而成为亚晶 1996.19(1):49 界，逐步形成胞状亚结构；位错缠结形成的位错 (杨超，经福谦.张万甲，等.冲击加载作用下铁和镍的高应变 率变形.兵器材料科学与工程，1996,19(1)：49) 胞尺寸由位错运动自由程决定，而位错运动自由程 [6 Yang C.Jing F Q.Zharg W J.et al.Effect of shock presare 随应变率的增加而减小，因此随应变率的提高，位错 and pube duration on micmostructure of iron and Nickel.Ord- 胞尺寸减小.因此，铁素体基体内细小的位错胞亚 nance Mater Sci Eng,1996.19(3):38 结构的形成和粗大铁素体晶粒的碎化使基体组织细 (杨超，经福谦，张万甲，等.冲击波压力和脉冲时间对铁和镍微 化在宏观上表现出明显的加工硬化效应和应变率强 结构的影响.兵器材料科学与工程，1996.19(3)：38) 化效应. [7 Pappu S.Murr L E.Shock deformation tw inning in an iron ex- pbsively fomed propctik.Mater Sci Eng A,2000,284(1/2): 3结论 148 [8 Yang Z Y.Ding YL Chen J Y.et al.Investigation on shock (1)在高应变率冲击下，纯铁材料具有显著的 wave plasticization effect of pure imon.Ordnand Mater Sci Eng, 应变强化效应：并且随着应变率的提高，具有明显的 2002.25(6):15 增强、增塑的特点. (杨卓越.丁雅莉，陈嘉砚.工业纯铁爆炸冲击波增塑效应研 究.兵器材料科学与工程，2002,25(6)：15) (2)在高应变率冲击下，纯铁的主要变形机制 [9 Kolsky H.An investigation of the mechanical pmoperties of mate 是孪生和滑移 rials very high rates of loading //Proceedingsof the Physical So- (3)在冲击条件下，粗大的铁素体晶内优先生 ciely.London.1949:676 成孪晶，随应变率的提高，孪晶密度增加，孪生变形 [10 Al-Mousawi MM.Reid S R.Demas W F.Use of the split Hop 促进滑移，位错缠结和位错密度增加，因此孪生变形 kinson presure bar techniques in high rate materials testing. Mech Eng Sci,1997,211(4):273 成为纯铁在动态加载条件下增强、增塑的主要原因. 11]Field J E.Walley S M.Proud W G.et al.Review of experi- ment al tech niques for high rate deformation and shock studies. 参考文献 Int J Impact Eng.2004,30(7):725 [1]Liang R Q,Akhtar S K.A critical review of experimental results [12 Zhou J S.Yang DZ.The dislocation configuration and its for and constitutive models for BCC and FCC metals over a wide mation mechanism under dynamic loading condtion.Mater Sci range of strain rates and temperatumes.Int J Plast,1999. Technol,1997.5(2):13 15(9):963 (周劲松，杨德庄.动态加载条件下形成的位错组织特征及形 【2 Meyers M A.Dynam ic Behavior of Materials.Amerca John 成机制.材料科学与工艺，1997,5(2)：13) Wiley Sons Incorporation,1994 13]Meng L J.Liang W.Zhao X G,et al.The effect of strain rate [3]Meyers M A.Chen Y J.Marquis F D S.et al.High-strain. on the size of dislocation cells of pure imon.JChin Electr Mi- high-straim rate behavior of tantalum.Metall Mater Trans A, crasc,.2005,244):295 1995.26:2493 (孟丽君，梁伟，赵兴国，等.应变速率对纯铁位错胞尺寸的影 [4]Li B C.Zhao JP.Zhang Z M.The study of phenom ena for in- 响.电子显微镜学报，2005,244)：295)

bogen 的冲击载荷下纯铁的位错生成机理模型 [ 12] : 纯铁受冲击加载时, 冲击波刚一进入到晶体中, 〈111〉方向上的螺型位错就形成位错缠结, 刃型位错 分量和被压缩部分一起以冲击波阵面速度运动, 而 螺型位错分量长度增加.因此, 在高应变率冲击下, 铁素体晶粒内的位错迅速增多 、缠结, 进而成为亚晶 界, 逐步形成胞状亚结构[ 13] ;位错缠结形成的位错 胞尺寸由位错运动自由程决定, 而位错运动自由程 随应变率的增加而减小, 因此随应变率的提高, 位错 胞尺寸减小 .因此, 铁素体基体内细小的位错胞亚 结构的形成和粗大铁素体晶粒的碎化使基体组织细 化在宏观上表现出明显的加工硬化效应和应变率强 化效应. 3 结论 (1) 在高应变率冲击下, 纯铁材料具有显著的 应变强化效应;并且随着应变率的提高, 具有明显的 增强 、增塑的特点. (2) 在高应变率冲击下, 纯铁的主要变形机制 是孪生和滑移. (3) 在冲击条件下, 粗大的铁素体晶内优先生 成孪晶, 随应变率的提高, 孪晶密度增加, 孪生变形 促进滑移, 位错缠结和位错密度增加, 因此孪生变形 成为纯铁在动态加载条件下增强、增塑的主要原因 . 参 考 文 献 [ 1] Liang R Q, Akhtar S K .A critical review of experimental results and constitutive models for BCC and FCC met als over a w ide range of strain rates and tem peratu res.In t J Plast, 1999, 15( 9) :963 [ 2] Meyers M A.Dynam ic Behavior of Materia ls.Ameri ca:John Wiley &S ons Incorporation, 1994 [ 3] Meyers M A, Chen Y J, Marquis F D S , et al.High-strain, high-strain-rate behavior of tantalum .Metall Mat er Trans A , 1995, 26:2493 [ 4] Li B C, Zhao J P, Zhang Z M .T he study of phenom ena f or in￾crease and reduce of g rain siz e of pure iron at impact.J Projectiles Rockets Missiles Gu id , 2003, 23( 3) :216 ( 李保成, 赵家萍, 张治民.冲击条件下纯铁晶粒尺寸增大和减 小现象研究.弹箭与制导学报, 2003, 23( 3) :216) [ 5] Yang C, Jing F Q, Zhang W J, et al.High strain rat e def orma￾tion of Fe and Ni by shock loading .Ord nance Mater Sci Eng , 1996, 19( 1) :49 ( 杨超,经福谦, 张万甲, 等.冲击加载作用下铁和镍的高应变 率变形.兵器材料科学与工程, 1996, 19( 1) :49) [ 6] Yang C , Jing F Q, Zhang W J, et al.Effect of shock pressu re and pulse duration on microstructure of iron and Ni ckel.Or d￾nance Mater Sci Eng , 1996, 19( 3) :38 ( 杨超, 经福谦, 张万甲, 等.冲击波压力和脉冲时间对铁和镍微 结构的影响.兵器材料科学与工程, 1996, 19( 3) :38) [ 7] Pappu S, Murr L E.S hock deformation tw inning in an iron ex￾plosively f ormed projectile .Mater Sci E ng A , 2000, 284( 1/ 2) : 148 [ 8] Yang Z Y, Ding Y L, Chen J Y, et al.Investigation on shock wave plasticization effect of pure iron.Ordna nce Mater S ci Eng , 2002, 25( 6) :15 ( 杨卓越, 丁雅莉, 陈嘉砚.工业纯铁爆炸冲击波增塑效应研 究.兵器材料科学与工程, 2002, 25( 6) :15) [ 9] Kolsky H .An investigation of the mechanical p roperties of mate￾rials at very high rates of loading ∥Proceedings of the Physical So￾ciet y .London, 1949:676 [ 10] AI-Mousawi M M, Reid S R, Denas W F .Use of the split Hop￾kinson p ressure bar techniques in high rate mat erials testing . Mech Eng Sci, 1997, 211( 4) :273 [ 11] Field J E, Walley S M , Proud W G, et al.Review of experi￾ment al t ech niques for high rat e deformation and shock studies. Int J Impact E ng, 2004, 30( 7) :725 [ 12] Zhou J S, Yang D Z .The dislocation configuration and its f or￾mation mechanism under dynamic loading condition.Mat er Sci Technol, 1997, 5( 2) :13 ( 周劲松, 杨德庄.动态加载条件下形成的位错组织特征及形 成机制.材料科学与工艺, 1997, 5(2) :13) [ 13] Meng L J, Liang W, Zhao X G, et al.The eff ect of strain rate on the size of dislocation cells of pure iron.J Chin Electr Mi￾crosc, 2005, 24( 4) :295 ( 孟丽君, 梁伟, 赵兴国, 等.应变速率对纯铁位错胞尺寸的影 响.电子显微镜学报, 2005, 24( 4) :295) · 982 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷