绝热剪切是材料在高应变速率变形中局域化塑性变形的一种常见形式, 广泛存在于工业生产中, 例如:高速冲击、高速切削、爆炸复合等^[1-3]。绝热剪切带是一条变形高度集中的狭窄带状区域。绝热剪切敏感性指材料发生绝热剪切的难易程度, 绝热剪切敏感性越高越容易发生绝热剪切^[4]。绝热剪切带广泛存在于钢^[5]、镁合金^[6]、铝合金^[7]、钛合金^[8]、纯铜^[9]等材料中, 绝热剪切带内容易产生孔洞和裂纹, 常被视为材料失效的前兆, 因此研究材料的绝热剪切现象具有重要意义。

H70黄铜在生产生活中有广泛的应用, 例如:散热器外壳、垫片、弹壳等, 在加工和使用过程中常处于高应变速率条件下。而关于H70黄铜中绝热剪切现象的研究还很少, 因此本文目的是通过分离式霍普金森压杆技术研究高应变速率下H70黄铜的局域化剪切变形行为, 并分析应变速率对H70黄铜绝热剪切敏感性的影响规律及机理。

1 实验

实验研究对象是H70黄铜, 其化学成分如表 1所示。材料初始状态是热挤压态的圆棒, 直径为8 mm, 随后对材料进行退火, 工艺为氩气炉中650 ℃退火20 min, 水冷。

通过机加工将材料加工成帽形试样, 试样尺寸如图 1所示。帽形试样可以在规定的剪切区域内发生的剧烈的剪切变形, 剪切区域高2.2 mm, 宽0.3 mm。

利用分离式霍普金森压杆装置对帽形试样进行动态加载, 装置中的入射杆和透射杆长度为1 000 mm、直径为14.5 mm, 子弹的长度为300 mm。实验中选择两种加载气压0.15 MPa、0.20 MPa, 来获得不同的应变速率, 试验温度为293 K。加载后获得相应的电信号曲线, 然后根据公式(1)-(5)可以得到真应力-真应变曲线, 公式如下所示^[10]:

$ \tau = \frac{{{E_0}{A_0}{\varepsilon _t}(t)}}{{\pi h\left( {\frac{{{d_{\rm{i}}} + {d_{\rm{e}}}}}{2}} \right)}} $

(1)

$ \dot \gamma = \frac{{2{C_0}\left[ {{\varepsilon _i}(t) - {\varepsilon _t}(t)} \right]}}{s} $

(2)

$ \gamma = \frac{{2{C_0}\int_0^t {\left[ {{\varepsilon _i}(t) - {\varepsilon _t}(t)} \right]} dt}}{s} $

(3)

$ \sigma = 2\tau $

(4)

$ \varepsilon = \ln \sqrt {1 + \gamma + \frac{{{\gamma ^2}}}{2}} $

(5)

式中, τ、${\dot \gamma }$、γ、σ、ε分别代表剪切应力、应变速率、剪切应变、真应力和真应变。E₀和C₀代表杆的弹性模量和波速, E₀=2×10¹¹ Pa, C₀=5 064 m/s, A₀是杆的横截面积, h和s是试样剪切区域的高度和宽度, d_i和d_e如图 1所示, d_i=4 mm, d_e=3.4 mm。ε_i(t)和ε_t(t)分别是实验获得的入射波信号和透射波信号。

通过金相显微镜观察加载前后试样微观组织形貌。为观察加载后试样微观形貌, 利用线切割将加载后的试样沿轴线分为两半, 对截面进行磨抛、侵蚀, 侵蚀剂为:FeCl₃(10 g)+HCl(8 mL)+C₂H₅OH(50 mL)+H₂O(50 mL)。加载前的试样观察面为平行于圆棒轴线的截面。

2 实验结果及讨论 2.1 原始组织形貌特征

加载前H70黄铜微观组织形貌如图 2所示, 材料中的晶粒形状为等轴状, 并且存在部分孪晶。利用Nano measurer软件测得材料的平均晶粒尺寸为39.01 μm。且由图 2可得, H70黄铜是典型的单相黄铜, 材料中的晶粒为α相。

2.2 动态强迫剪切力学响应特征

图 3为试样变形过程的真应力-真应变曲线, 黑色和红色曲线分别对应不同应变速率:$\dot \gamma = 5.0 \times {10^4}{{\rm{s}}^{ - 1}}$和$\dot \gamma = 6.0 \times {10^4}{{\rm{s}}^{ - 1}}$。各曲线具有相同的发展趋势, 开始流变应力随着应变的增加而增加, 增加的速度逐渐减小；然后曲线达到最高点, 即应力坍塌点(图 3中蓝色箭头对应点)；当超过应力坍塌点后, 流变应力随着应变的增加而减小, 最后发生卸载, 曲线快速下降。

在一维剪切情况下材料的热-黏塑性本构方程和本构失稳的临界条件可写为^[11]:

$ \tau = f(\gamma , \dot \gamma , T) $

(6)

$ \frac{{d\tau }}{{d\gamma }} = \frac{{\partial \tau }}{{\partial \gamma }} + \frac{{\partial \tau }}{{\partial \dot \gamma }}\frac{{d\dot \gamma }}{{d\gamma }} + \frac{{\partial \tau }}{{\partial T}}\frac{{dT}}{{d\gamma }} = 0 $

(7)

式中, τ为剪切应力, γ为剪切应变, ${\dot \gamma }$为应变速率, T为温度, $\frac{{\partial \tau }}{{\partial \gamma }}$代表应变硬化作用, $\frac{{\partial \tau }}{{\partial \dot \gamma }}$代表应变速率硬化作用, $\frac{{\partial \tau }}{{\partial T}}$代表热软化作用。由公式(6)和(7)可知, 一般情况下, 本构失稳即绝热剪切失效取决于材料的应变硬化作用、应变速率硬化作用和热软化作用三者的相互竞争, 热软化作用超过应变硬化作用和应变速率硬化作用时, 发生绝热剪切失稳。在变形过程中, 开始阶段的应变硬化作用和应变速率硬化作用大于热软化作用, 曲线呈上升趋势, 随着应变增加, 材料的变形功增加, 由变形功转化来的热量也增加, 即绝热温升增加, 材料的热软化作用增加, 当应变到达临界应变即应力坍塌点对应的应变时, 热软化作用和应变硬化作用、应变速率硬化作用相等, 而当应变超过超过临界应变后, 热软化作用超过应变硬化作用和应变速率硬化作用, 曲线呈下降趋势。应力坍塌点对应的临界应变越小, 代表材料越早发生应力坍塌, 即绝热剪切。

当应变速率为$\dot \gamma = 5.0 \times {10^4}{{\rm{s}}^{ - 1}}$和$\dot \gamma = 6.0 \times {10^4}{{\rm{s}}^{ - 1}}$时, 对应的临界应变分别为1.346和1.578, 表明随着应变速率的增加, H70黄铜越难发生绝热剪切, 即H70黄铜的绝热剪切敏感性随应变速率的增加而降低。

比较单位体积绝热剪切形成能^[12]的大小也可以判断材料绝热剪切敏感性的高低, 绝热剪切发生时所吸收的能量越少, 材料绝热剪切敏感性越高, 单位体积绝热剪切形成能公式如下:

$ E = \int_0^s \sigma d\varepsilon $

(8)

式中, δ为真应力, ε为真应变。根据公式(8), 对图 2中真应力-真应变曲线起始点到应力塌陷点阶段进行积分, 得到当应变速率为$\dot \gamma = 5.0 \times {10^4}{{\rm{s}}^{ - 1}}$、$\dot \gamma = 6.0 \times {10^4}{{\rm{s}}^{ - 1}}$时, 单位体积绝热剪切形成能分别为723.71 kJ/m³、805.94 kJ/m³, 随着应变速率增加, 单位体积绝热剪切形成能增加, 表明H70黄铜的绝热剪切敏感性随着应变速率的增加而降低。

由上可知, H70黄铜的绝热剪切敏感性随着应变速率的增加而降低。绝热剪切现象的发生受到应变硬化作用、应变速率硬化作用和热软化作用的影响, 较高的热软化作用和较低应变硬化作用、应变速率硬化作用均有利于绝热剪切的发生。本试验中, 随着应变速率增加, 变形过程中材料内的位错难以集中, 即应力集中小, 需要更大的外力才能继续变形, 因此导致材料应变硬化作用增加。另外H70黄铜具有低的层错能, 在高应变速率变形中容易发生孪生^[13], 孪晶界将对位错运动的阻碍能力更强, 进一步提高了应变硬化作用, 关于孪晶界可以提高材料应变硬化能力的报道已经有很多。Ayman等^[14]研究发现, 在变形过程中, 随着变形孪晶的出现, 材料应变硬化速率显著增加。Guo等^[15]也发现, 与不含孪晶的AZ31镁合金相比, 含孪晶的试样在变形初期的应变硬化速率更高。因此随着应变速率增加, 应变硬化作用增大, H70黄铜的绝热剪切敏感性降低。

2.3 绝热剪切带形貌观察

加载后试样的微观形貌如图 4所示, 加载后试样中出现一条明显的灰色带状区域(其上下边界由图中黑色实线表示), 区域内观察不到明显的晶粒, 表明原始粗大晶粒通过发生再结晶细化为小晶粒, 区域边界处的晶粒发生剧烈塑性变形, 被扭曲拉长, 距离带状区域较远的基体中的晶粒未发生明显变形, 仍呈等轴状, 这个带状区域便是绝热剪切带。

关于绝热剪切带内晶粒发生再结晶然后细化的现象已经在很多材料中观察到。在变形过程中, 帽形试样剪切区域发生大的塑性变形, 产生的变形功约90%转换为热量, 且由于变形时间短, 热量来不及扩散, 使得试样局部温度升高, 温度的升高为材料内发生再结晶提供了条件。关于绝热剪切带内的再结晶机制已经提出了很多, 目前应用最广泛的是亚晶旋转动态再结晶机制。根据亚晶旋转动态再结晶机制, 在变形过程中, 材料中产生大量的位错, 随着变形的继续, 位错不断增殖、交割, 然后逐渐形成位错胞, 随着进一步变形位错胞渐渐转变为亚晶, 然后亚晶断裂旋转将形成新的细小晶粒^[9]。

3 结论

通过分离式霍普金森压杆与金相显微镜研究了H70黄铜中的局域化剪切变形行为, 分析了应变速率对H70黄铜绝热剪切敏感性的影响规律:

1) 当应变速率为5.0×10⁴ s^-1和6.0×10⁴ s^-1时, 加载后H70黄铜均出现了明显的绝热剪切带, 带内观察不到明显的晶粒, 表明发生了动态再结晶。

2) 动态力学响应曲线分析表明, 随着应变速率增加, 对应的临界应变和单位体积绝热剪切带形成能增加, 表明H70黄铜的绝热剪切敏感性随着应变速率增加而降低。