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1、-文献综述60180-第 8 页文献综述高速冲击下金属材料动态力学行为和变形局域化即绝热剪切变形的研究对于国防和工业应用具有重要的意义。军事上的穿甲和爆破、工业上的高速切削和爆炸成型等均与材料在冲击载荷、高应变率下的形变与破坏密切相关。金属材料在高速形变时，常常发生变形局域化现象。因此，对常规条件如低应变率下金属材料静态或准静态力学行为及变形机制的了解和认识已经不能满足需要，必须深入研究极端条件如高应变率下材料动态力学行为及其变形机制，从而为高性能材料的设计与制备提供实验和理论依据。一 高应变率下材料动态力学行为1.1 材料加载状态的划分及动态载荷的特点材料的力学性能既与材料本身条件如内部微观
2、组织结构有关，又与加载时外部条件如变形温度、加载速率、变形程度等因素有关，表现十分复杂。其中加载速率的影响十分重要。静态或准静态和动态变形的主要差异就在于加载速率的不同。众所周知，应变表示材料受力后变形程度的大小，为无量纲量;应变率则是材料变形快慢的量度，应变率的增加反映着加载速率的增加。因此，人们通常采用应变率公对加载状态进行划分:(l)当10-5/s时，属于静态加载范围，可以不考虑应变率效应;(2)当10-5/s 10-3/s时，属于动态加载范围，必须考虑材料的应变率效应，此时所研究的问题可称为动态问题。相对于静态载荷，动态载荷的特点是载荷强度高，作用时间短，变形在短时间内完成。材料在静态
3、和动态加载条件下其性能有很大的差异。1.2 材料动态本构模型材料的本构关系是指材料的流变应力对温度、应变和应变率等热力参数的响应规律。这种规律因材料而异，反映了不同材料的力学本质特征。材料在塑性变形过程中，流变应力受变形温度、变形速度、变形程度及材料的化学成分等因素的影响非常显著，这些因素的变化会引起材料流变应力的相应变动。材料的高应变率塑性变形通常采用应力与应变、应变率及温度等函数关系的本构方程来描述。可将应力简单表示为:=f(,T) (1.1)其中，为应变，为应变率，T为温度。由于塑性变形是一个不可逆的过程并与路径有关。所以材料在某一确定点的响应与材料的变形亚结构有关。由于每一种变形亚结构
4、都对应各自的应变率、温度以及应力状态，所以上述方程中必须加入一个“变形历史”项：=f(,T，变形历史) （1.2）理想金属的塑性本构方程应该能够描述温度、应变、应变率和应变率历史和应变硬化(包括等温和绝热硬化)等相关材料性能。然而实际上要完全描述这些因素相当困难，为此必须引入一些假设以简化模型。由于冲击加载条件下所造成的绝热温升，材料的动态本构关系比准静态条件下的本构关系复杂的多。目前对材料动态本构关系的研究大多集中在与应变率和温度相关的大变形问题方面，主要存在以下一些模型:(l)Bonder-Partom模型：1975年，Bodner和Partom基于位错动力学提出了一种粘塑性应变硬化材料在
5、大变形和任意加载历史条件下的本构模型，该模型认为应变率变化不大时，加工硬化率不变。此模型的显著特点是将总的应变率分解为弹性和非弹性两部分:弹性变形由晶格变形所产生的可逆过程所引起，非弹性变形则由位错运动所产生的不可逆变形所导致，且这两部分变形均是状态变量的函数，方程与屈服准则及加载、卸载条件无关。Bodne卜Partom模型的优越性在于不需要屈服判据和加载、卸载准则，放弃了有关屈服条件的传统观点。(2)Johnson-Cook模型1311983年，Jolmson和Cook为了描述高温、高应变率下金属的大塑性变形，在位错动力学的基础上提出了此模型。该模型描述了材料的应变硬化效应、应变率硬化效应和
6、热软化效应，认为流变应力是温度、应变率、应变三个因素的乘法效应。此模型由于形式简单、参数易得且在趋势上可基本反映金属材料的动态特性，因而应用最广。但此模型没有体现温度和应变率历史的相关效应，也没有考虑温度和应变率的耦合效应，因此并不能完全反映材料的某些特点。如此模型的应变硬化率随应变增加而增加，适用于符合此规律的铜、镍等金属材料，但不适用于应变硬化率随应变增加而减小的金属材料。(3)Zerilli-Armstrong模型1987年，Zerilli和Armstrong为了计算高应变率下材料的动态性能，基于位错机制，对Johnson-Cook粘塑性本构模型进行了改进，提出了Zerilli-Arms
7、trong模型。此模型形式相对比较简单，假设加工硬化与温度及应变率无关，认为不同晶体结构材料的本构关系应该不同。考虑到面心立方和体心立方晶体点阵的差别，Zerilli-Armstrong模型分别给出了不同的本构关系。但Zerilli-Armstrong模型表达方式较为复杂，在实际中远不如Johnson-Cook模型应用广泛。(4)Meehanical Threshold Stress模型此模型为Klepaczko和Chiem（1986），Follansbee和Kocks（1988）等人建立的，简称MTS模型。该模型由两部分组成:一部分描述给定结构下材料的特性，另一部分描述变形过程中组织结构的演
8、变。此模型引入了代表材料当前位错结构下的强度即参考应力作为本构模型中唯一一个内变量参数，试图在位错特性和宏观特性之间建立起直接的联系。该模型可以较好地描述材料在高应变率、大变形条件下的力学行为，能较好地预测材料对应变率和温度的影响，应用较广泛，但在描述热扩散回复、再结晶以及相关的应变软化尚存在不足。(5)BCF-SNL模型为了描述金属的大变形，1990年，Banimann等人建立了BCF-SNL内变量本构模型。此模型中假定弹性变形为线性且各向同性的，包含有两个内变量:一个是动态硬化矢量参数，另一个是各向同性硬化标量参数。采用这两个内变量可以解释塑性变形时屈服面的演化。以上几种本构模型可在一定程
9、度上反映材料的变形特征。前三种模型由于形式简单，参数较少易得因此在计算机模拟和计算方面得到广泛应用。MTS和BCF-SNL模型引入了内变量:MTS只有一个内变量，BCF-SNL模型有两个内参量。相对于前三种模型，MTS和BCF-SNL模型参量较多。此外，基于滑移热力学和动力学规律以及塑性应变率和位错之间的关系，国内外尚有一些学者研究了不同材料、不同温度及应变率下的材料动态本构方程，在此不一一列举。1.3 材料应力一应变响应特性及变形特征高应变率下材料动态力学行为涉及到许多与静态或准静态不同的效应，应力一应变响应特性以及应变率敏感效应是其研究的重要问题之一。研究表明:冲击载荷下材料的应力一应变响
10、应特征因材料或显微组织不同而异。大多数金属材料的流变应力随应变率增加而增加，表现出正应变率敏感性，如软钢、铝、钦等。Lennon等人系统研究了温度对面心立方晶体纯铜、体心立方晶体纯钒和密排六方晶体纯钦退火状态下动态压缩力学性能的影响，结果表明三种典型晶体结构纯金属不同温度下的动态应力一应变曲线具有明显的区别:对FCC铜，屈服强度对温度不敏感，而应变硬化随着温度的增加而减弱;对BCC钒，屈服强度对温度非常敏感，而应变硬化却随温度增加变化很小;HCP钛的屈服强度和应变硬化则对温度均敏感。El-Magd等人系统研究了室温至450温度范围内FCC晶体结构铝合金AA7075、HCP晶体结构镁合金AZ80
11、以及+钛合金TC4的动态拉伸、压缩力学性能和变形断裂特性。结果发现三种材料的动态压缩流变应力均表现出正的应变率敏感特性，低应变时，流动应力随应变率的增加而增加;高应变时，变形过程中绝热剪切特征导致温升引起的热软化使得流动应力减小。其动态塑性反应主要由增加的应变速率敏感性和变形过程中的绝热剪切敏感特性所控制。在冲击压缩载荷下，AA7075和AZSO断裂时变形量随应变率的增加而急剧增加，TC4断裂时变形量随应变率的增加而减少。AA7O75的压缩塑性表现出很少的温度相关性，而AZ80和TC4则受温度影响较大。室温下AA7O75和TC4形成了剪切带，而AZ80只是变形局域化，没有剪切带的形成。上述材料
12、的表现是材料高应变下所表现出的基本事实和规律，即在动态载荷条件下，不同晶体结构材料的应力一应变行为及变形特征具有不同的特点。高应变率引起材料性能的变化同时导致微观结构的相应变化。实验观察表明，具有高层错能的FCC金属在受到冲击载荷时，易形成胞状位错组织，并且位错胞壁遭到严重侵蚀，这是FCC金属在受到冲击载荷时形成的位错组织的一个显著特征。另一个显著特征是易形成位错环。如果加载持续时间短，产生的亚结构更加无序。通常在压力超过1OGPa时，多数层错能大于50MJ/m2的FCC金属均有形成上述组织的趋势。对于HCP金属，冲击载荷下其位错组织特征介于FCC金属和BCC金属之间，在更高的压力作用下材料易
13、发生孪生变形。与滑移相似，只有当外力在孪生方向的分切应力达到临界分切应力值时，才开始孪生变形。一般孪生的临界分切应力要比滑移的临界分切应力大得多，只有在滑移很难进行的条件下晶体才进行孪生变形。对于HCP金属，由于它的对称性低，常温下可启动的独立滑移系少，不能提供5个独立的应变分量，难以满足应变相容性条件，在此情况下常常同时发生孪生变形。与FCC与BCC金属相比，HCP金属的变形机理更加复杂。FCC与BCC金属常规条件下的主要的变形机理是位错滑移，HCP金属通常需要通过孪生变形来提供相应的变形分量，从而导致高应变率下HCP金属的变形机理十分复杂。二 高应变率下材料绝热剪切变形 绝热剪切现象及其分
14、类绝热剪切是高应变率加载条件下材料变形、断裂的一种特殊机制，通常具有两个基本特征:一是其高速变形时绝大部分热量来不及散失，从热力学角度看近似于绝热过程;二是塑性变形高度局域化，形成宽约l-102m量级的窄带形区域，即绝热剪切带 (Adiabatic Shear Band，ASB)。ASB可以在不同的动态载荷过程中产生，主要有这四种加载条件:第一，由冲击变形所致，包括高速撞击、侵彻、冲蚀、切削、高速成型、爆炸复合等，此时，剪切带主要出现在表面和凹坑的侧面，变形主要是受到压力和剪切力的共同作用；第二，由高速成型和高速车削所致，比如高速锻压、挤压、冷锻、切削等，在高速压缩与切削条件下，剪切带通常沿着
15、最大剪切力方向延伸；第三，在低温变形下产生，此时不需要高应变速率和压缩变形条件，在很低的温度下，比如液氮温度，对于比热容很低的材料只要局部的应变增加就能使局部温度升高而加强变形；第四，表面磨损变形，比如滚动轴承、研磨、导线磨损等，通常磨损表面出现了微观结构的变化，这是由ASB引起的。可见，在大多数情况下，ASB的产生需要剪切、压缩或者两者的共同作用，在常温条件下张力是不会产生ASB的。在绝热剪切过程中，ASB内温度急剧升高和下降(如温升可达102-103K，冷却速率可达105K/s)，同时其内可发生l一102量级的剪应变，应变速率可高达105-107/s。由于这些极端条件，绝热剪切带从变形力学
16、角度和材料微观组织以及性质变化等角度均引起了广大学者的关注。绝热剪切带是一种独特的局部失稳现象，与材料失效关系密切。材料在高应变速率条件下发生绝热剪切现象相当普遍。构件内出现绝热剪切带即意味着承载能力的下降或丧失，特别是装甲材料，绝热剪切是其主要的失效形式之一，许多文献以把抗绝热剪切性能作为装甲材料的主要性能来研究。正是由于绝热剪切重大的理论和工程实际意义，欧美等发达国家开展了长期的ASB研究。国内中科院力学所、中科院金属所、中国科技大学、北京理工大学和中南大学以及其它一些科研单位也对绝热剪切现象进行了大量有意义的研究工作。根据绝热剪切带内组织是否发生相变，可以简单地将其分为两种基本类型:以应
17、变高度集中、晶粒剧烈拉长和碎化为主要特征的形变带 (deformed band)，以及以发生相变或再结晶为特征的转变带(transformed band)。其特征如下:“形变带”仅是基体组织的高度变形和碎化，从基体到剪切带中心呈现为逐渐过渡、宽带不完整，带中心除了原始组织变形后的流线外，看不出明显相变的痕迹;“转变带”中心看不出原始组织的形貌、带中心的“相变”区与两侧变形区形成明显的分界线，带宽趋向于均匀完整。在纯金属中产生的绝热剪切带大多都属于形变带，而转变带则经常产生于钢铁、铀合金及钦合金中。事实上，两种类型的ASB并非对立存在，经常可以观测形变带和转变带共存在于ASB中，它们之间并不存在
18、明显的界线，在一定条件下形变带会向转变带转化。 绝热剪切带徽观组织特征及其演化受限于测试手段，以往材料学者对绝热剪切带的研究侧重于其形成条件和扩展规律等宏观方面的研究，对其微观结构的研究相对较少，测试手段也主要是光学显微镜下的金相观察和显微硬度测试。随着电子显微技术的发展，到20世纪70年代初，己经开始用透射电镜技术研究ASB内微观精细结构。近10年来，由于各种暗场、衍射分析技术的完善和提高，人们对ASB内精细组织结构有了更深刻认识。绝热剪切带微观结构的透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope，m以下)，与基体组织差异较大；此外基体到剪切带中心，微观组织
19、是逐渐变化和过渡的。如图2.1所示。可见绝热剪切带形成过程中微观组织演化比较复杂，主要包括:原始组织的重新取向、碎化和各种缺陷、亚结构的形成，并且伴随有局部温度的升高，剪切带中心应变最大，温度最高。S.P.Timothy认为绝热剪切带内具有细小等轴特征的晶粒是由相变导致的，相应的ASB即为“相变带”，否则即为“变形带”。Meyer等人、Yang等人认为ASB中细小等轴晶粒的形成是动态再结晶的结果。实际所观测到的ASB内具有再结晶特征的超细晶粒组织是否为动态再结晶的结果还需要新的实验依据来验证。图2.1 绝热剪切带微观结构示意图（A-带中心的等轴细晶组织;B-过渡区域;C-基体区域）2.3 绝热
20、剪切变形局部化失稳判据在高应变率下材料动态本构模型研究的基础上，各国科学家对绝热剪切变形局部化失稳判据也进行了大量研究。材料本身的性质以及外部因素如应变、应变速率、环境温度等都是影响热塑失稳的因素。到目前为止，已相继建立和发展了各种热塑失稳临界条件。Culver等最先建立的绝热剪切临界条件，就属于由临界应变控制的单变量准则;徐天平、王礼立等基于双曲型势垒热激活机制的热-粘塑性本构方程，对室温下的TC4的热塑失稳进行了研究，得出了一个同时与应变和应变率相关的双变量准则;包合胜等基于Johnson-Cook粘塑性本构模型，在分析了徐天平等人建立的双变量准则的基础上，指出徐天平等建立的双变量临界准则
21、是在固定环境温度下导出的，因而考虑环境温度的可变，推导出同时应变、应变率及环境温度相关的三变量准则，用此准则进行理论预测，预测与实验结果能较好的吻合。实验上，采用合理的剪切带形成判据对于绝热敏感性的评估非常重要。Wright曾经对剪切带的形成进行过数值模拟，发现剪切带上应力随时间演化的普遍特征:即当剪切带形成时会出现应力突然下降的现象，Wright将其称之为应力塌陷 (stress collapse)，同时他建议将应力塌陷作为剪切带的形成的判据。因此应用适当的实验装置获得的应力一时间曲线，根据应力塌陷所需时间的长短和程度可以定性判断材料发生绝热剪切难易程度即绝热剪切敏感性。三 纯钛动态力学性能
22、和变形机理的研究钛及钛合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好等优点，因此其作为结构材料被广泛应用于航空、航天、汽车等军事和民用领域。这些材料及其结构在加工和使用过程中可能承受高速切削、高速撞击和爆炸等冲击加载作用，因此准确了解材料在高应变率加载下的力学行为对材料设计和工程应用具有重要的意义。关于钛及钛合金力学性能的应变率相关性研究主要集中在压缩加载方面，分离式霍普金森压杆是测试材料在高应变率加载下压缩力学行为的一种有效的实验方法。Chichili等，Nemat-Nasser等，Li等，常亚喆等，Gurao等和孙智等分别对多晶纯钛实施了不同环境温度下的冲击压缩实验和冲击剪切实验，结果表明：纯钛的压缩
23、力学性能具有温度和应变率相关性，随着应变率的升高和温度的降低，其屈服应力增加，屈服后的应变硬化效应增强；纯钛在高应变率下存在动态应变时效现象；纯钛的塑性变形机制包含位错滑移和孪生变形；绝热剪切带的形成和发展是材料损伤和破坏的主要机制。研究表明，常温下纯钛(其长短轴之比c/a=1.587)塑性变形主要是由柱面滑移所产生。然而，对于多晶材料，如果要满足应变相容即应变连续，必须要启动5个独立的活化滑移系。由于纯钦在常温下只能提供4个独立的滑移系，因此必须引入孪生机制，考虑滑移和孪生共生变形。Song和Gray等人对纯钛形变孪晶的研究结果表明:由孪生造成的塑性变形与温度和应变率密切相关，温度越低或者应
24、变率越高，孪生影响就越大。Mayers等通过对纯钛的压剪实验观察了高应变率下剪切带和孪晶的形成，发现孪生在剪切带的形成中扮演着重要角色。但是，应该指出，目前关于纯钦动态力学行为及其变形机理的研究仍不充分，如尽管文献揭示了孪生是纯钦塑性变形的一个重要机制，但是对整个塑性变形过程中滑移机制和孪生机制的互相作用与竞争的研究尚有待深化。四 Hopkinson压杆实验简介Hopkinson压杆装置（简称SHPB）是近年来研究材料动态力学行为应用最多的实验技术。依据应力波加载原理可以测定材料高速变形过程中的应力、应变和应变速率，从而进一步确定它们之间的关系。实验装置示意图如图所示，它由子弹、输入杆、试样、
25、输出杆和测试仪器组成。该实验装置的核心部分是两段分离的弹性波导杆入射杆和透射杆，两者的长度远大于试样，所以应力波通过试样的时间远小于实验的总时间，应力波在试样两端多次来回反射，从而可基本保证试样中的应力和应变是均匀的。加载脉冲由子弹撞击输入杆的端部产生。撞击杆(子弹)在压气枪中由高压气体的推动作用被加速到一定的撞击速度，以此速度撞击输入杆的端部，产生一个持续时间取决于撞击杆长度的入射弹性压力脉冲。当初始的压力脉冲经撞击杆的自由端反向成一个拉力脉冲并回到撞击面时，撞击杆就完成了对输入杆的卸载，因而在输入杆中将产生波长为撞击杆长度两倍的入射应力波。当输入杆中的入射应力波到达试样时，一部分由于杆和试
26、样横截面积不等和波阻抗不匹配而反射回输入杆形成反射应力波，另一部分则穿过试样到达输出杆形成透射应力波，透射应力波再由吸收杆捕获，最后由能量捕收器吸收。根据入射杆和透射杆上测得的入射波、发射波和透射波应变，由一维应力波加载原理可以确定材料一的动态应力应变关系。实验时使用高压气体推动撞击杆P，使它同心地撞击输入杆A。如果固定撞击杆的长度，而改变其在枪膛中的位置或气枪的压力，可以调整撞击杆的速度。撞击杆P在撞击输入杆A之前的速度肠通过光学测速装置测量。输入杆A和输出杆B上各自距端面S1和S2:一定距离处，贴上两组应变片gi和gt。输入杆A和输出杆B上的应变波形由gi和gt通过超动态应变仪放大后接入实
27、时信号采集器记录入射波和透射波波形。图 分离式Hopkinson压杆装置示意图 钛及钛合金在工业及国防上有非常广泛的应用，但其在高应变率下下的反应行为研究却一直不多，钛及钛合金中的绝热剪切现象已为人们所熟知，但是就材料本身因素对绝热剪切敏感性的影响这方面的认识还远远不能解决工程中的诸多问题。对于微观组织，尤其是组织的微细特征对绝热剪切行为影响的认识尚有待深入。现有的研究结果已表明不同的制备工艺、材料成分的差异、材料微观组织类型、微观组织的微细特征等都会对材料力学性能和绝热剪切行为产生影响。但是目前这方面的研究工作只是刚刚起步，并且不同研究者所采用的实验条件、材料成分、材料的成型工艺等都有所差异，因此很难对比分析并获得钦合金的微观组织特征对其绝热剪切行为的影响规律，所以对钛而言，我们仍有很多工作要做。参考文献：1 常亚喆. 高应变率下纯钛TA2动态力学性能各向异性和微观组织观察. 2 尤振平. 钛合金的显微组织与动态性能的研究.3 汪冰峰. 钛及钛合金中绝热剪切带微观结构演化及其集体行为研究.4 孙智,苏铁建,李淑华,王富耻. 高应变率下工业纯钛TA2变形与时效研究. 兵器材料科学与工程. 2007年5月.5 孙巧燕,朱蕊花,刘翠萍,于振涛. 工业纯钛机械孪晶演化及其对纯钛低温力学性能的影响. 中国有色金属学报. 2006年4月.