30CrMnSiNi2A钢的动态屈服强度研究_薛智

图 1 动态实验试样 5× Fig.1 Specimen for dynamic test 5× 随着现代工业的进步，在各类、军事和科学研 究等领域，人们都会遇到各种各样的爆炸、冲击载荷问 ，并可以发现，材料在爆炸、冲击载荷下的力学响应 与静荷载下的响应有显著的不同。 很多工程实际问题 的研究，例如：弹体撞击靶体，鸟撞飞机风挡，核爆炸和 化学爆炸的效应及其防护，工业结构建筑的动态响应， 微陨石和雨雪冰沙对高速飞行器的撞击等， 都依赖于 对材料或结构的动态力学性能的了解， 如动态屈服强 度、动态本构关系、动态塑性指标、动态断裂韧性等 ［1］。 30CrMnSiNi2A 钢是一种低合金超高强度钢， 在航空、 航天、舰船、交通运输和国防等领域有着广泛的应用， 研究材料在动态载荷作用下的力学行为具有重要的意 义［2-4］。 而动态实验无疑是这方面研究最直接、最有效 的。 采用分离式 Hopkinson 压杆 （简称 SHPB）技 术 ， 对经过不同热处理的低合金超高强度钢— 30CrMnSiNi2A钢的动态力学行为进行了研究［5-7］。 1 试样材料、制备及方法 本试验所用材料为 30CrMnSiNi2A， 为超高强度 钢，其主要化学成分（质量分数）为：0.27%~0.34% C； 1.00%~1.30% Mn；0.90%~1.20% Si；0.90%~1.20% Cr； 1.40%~1.80% Ni。 从正火处理后的 30CrMnSiNi2A 弹体上取 3 块材 料，第一块保持正火状态，硬度值为 19（标号为 1，例标 号 1～3表示未经热处理试样组中的第 3个试样）；另两 块为 860 ℃淬火+200 ℃回火， 硬度值为 49 （标号为 2）；860 ℃淬火+600 ℃回火，硬度值为 34（标号为 3）。 把 3 块经不同热处理制度处理过的钢做成尺寸为 准4 mm ×4 mm的小试样， 因为动态实验要求试样的尺寸非 常小 （图 1）， 并且由 SHPB实验装置和原理可以知道， 该实验对试样的尺寸精度要求非常高， 要求试样的垂 30CrMnSiNi2A钢的动态屈服强度研究 薛智 1，张治民 2，于建民 1，吴耀金 1 （1.山西省集成精密成形工程研究中心，山西 太原 030051；2.中北大学 材料科学与工程学院，山西 太原 030051） 摘 要 采用分离式 Hopkinson 压杆技术， 对经过不同热处理的低合金超高强度钢—30CrMnSiNi2A 钢的动态力学行为进 行研究。 试样经过正火热处理、860 ℃淬火+600 ℃回火、860 ℃淬火+200 ℃回火热处理 3 种热处理制度后，经过动态力学 实验得出：30CrMnSiNi2A 钢在不同应变率下的屈服强度值随应变率增加而增大，呈现一定的应变率敏感性；在 860 ℃淬 火+200 ℃回火状态下，表现为一定的回火脆性；在 860 ℃淬火+600 ℃回火状态时表现为优良的综合力学性能。 关键词 30CrMnSiNi2A 钢；动态屈服强度；应变率；超高强度钢；屈服强度 中图分类号 TG376 文献标识码 A 文章编号 1004-244X（2009）01-0010-03 Research on dynamic yield strength of steel 30CrMnSiNi2A XUE Zhi1，ZHANG Zhimin2，YU Jianmin1，WU Yaojin1 （1.Engineering Technology Research Center for Integrated Precision Forming of Shanxi Province，Taiyuan 030051，China；2.North University of China，Taiyuan 030051，China） Abstract The dynamic mechanical behavior of the different heat treated low-alloy superhigh strength steel-30CrMnSiNi2A was studied by using Split Hopkinson Bar technology，the test specimen passed through three kinds of different heat treatment systems，including normalize tempering，quenching at 860 ℃ and tempering at 600 ℃，quenching at 860 ℃ and tempering at 200 ℃. It was found that yield strength of 30CrMnSiNi2A steel showed certain strain rate sensitivity. Yield strength at various strain rates increased with strain rate rising； The test specimen had certain temper brittleness under the state of quenching at 860 ℃ and tempering at 200 ℃，the steel possessed excellent comprehensive mechanical properties under the state of quenching at 860 ℃ and tempering at 600 ℃. Key words steel 30CrMnSiNi2A；dynamic yield strength；strain rate；ultra-high strength steel；yield strength 收稿日期：2008-02-21；修回日期：2008-06-22 作者简介：薛智，男，山西太原人，博士，教授。 E-mail：minyu889@163.com。 兵器材料科学与工程 ORDNANCE MATERIAL SCIENCE AND ENGINEERING Vol．32 No．1 Jan., 2008 第 32 卷 第 1 期 2009 年 1 月 第 1 期 a—860 ℃淬火+200 ℃回火 b—860 ℃淬火+600 ℃回火 c—正火 图 4 不同热处理状态下的显微组织 200× Fig.4 Microstructures under different heat treatment 200× 准4.16×3.45 1 500 556.2 碎 10 000 952.1 1-1 3-5 准4×3.80 准2.93×1.73 准5.48×2.00 2 700 596.31-2 准4×3.84 1-3 准4×3.80 准5.18×2.33 4 700 611.3 2-1 准4×3.80 碎 1 600 1 678.3 2-2 准4×3.84 碎 2 600 1 732.1 2-3 准4×3.80 碎 4 800 1 840.2 2-4 准4×3.84 碎 8 000 1 886.5 2-5 准2.95×1.98 碎 11 000 2 076.1 3-1 准4×3.84 准4.29×3.35 750 896.8 3-2 准4×3.86 准5.20×2.26 2 600 910.7 3-3 准4×3.84 准4.94×2.49 4 900 938.2 3-4 准4×3.84 准5.14×2.35 8 000 946.3 冲击后尺寸/ 冲击应变率/ 屈服强度/试样 尺寸/ 编号 mm mm s-1 MPa 1-4 准4×3.84 准4.63×2.90 8 000 621.4 1-5 准0.94×1.00 碎 10 000 747.1 表 1 3 组试样应变率值及其对应动态屈服强度 Table 1 Strain rate and dynamic yield strength of three groups specimens 1—气炮；2—撞击杆；3—激光发射器；4—激光接收器； 5—电阻应变片；6—入射杆；7—试样；8—透射杆； 9—吸收杆；10—缓冲器；11—超动态应变仪。 图 2 分离式 Hopkinson 压杆装置示意图 Fig.2 Sketch of Split Hopkinson pressure bar 直、水平度要高，两端面要非常光滑以降低实验时的端 面摩擦， 所以加工时在达到尺寸要求的基础上尽量满 足垂直、水平度以及端面粗糙度。实验时在试样和杆端 涂黄油以降低端面摩擦所带来的实验误差。 实验采用分离式 Hopkinson 压杆实验系统， 实验 装置主要包括：撞击杆（子弹）、入射杆、透射杆和吸收 杆以及相应的测试装置，如图 2所示。 该实验装置可以进行应变率高达 104的动态冲击 实验， 利用 SHPB 装置可以通过测定压杆上的应变来 推导试样材料的应力－应变关系， 研究 30CrMnSiNi2A 钢在不同热处理制度下的动态力学性能， 应变率敏感 材料的动态特性与应变率历史等。 利用 SHPB 动态测 试装置 ， 对上述所选 3 组材料进行应变率均值为 1 000，3 000，5 000，8 000，10 000 s-1的动态压缩实验。 2 动态实验结果及分析 2.1 实验结果 图 3 是经正火、860 ℃淬火+600 ℃回火热处理和 860 ℃淬火+200 ℃回火热处理 3 组试样冲击后的 3 个 典型形貌图。 动态冲击后，经正火、860 ℃淬火+600 ℃ 回火热处理的试样被冲击成图 3中所示的厚度不等的 柱形或饼形；860 ℃淬火+200 ℃回火热处理的试样几 乎都被击碎。 由此可以知道，经正火、860 ℃淬火+600 ℃回火热处理的钢塑、韧性要比 860 ℃淬火+200 ℃回 火热处理的试样塑、韧性好，860 ℃淬火+200 ℃回火热 处理的试样呈现一定的回火脆性。 表 1 列出了 3 组试 样的尺寸、应变率以及屈服强度值。 图 4 是 30CrMnSiNi2A 钢在不同热处理状态下的 显微组织，在光学显微镜下观察图 4a、b 回火试样组 织， 发现回火时在马氏体板条内部有大量的弥散析出 a—正火状态 5× b—860 ℃淬火+ c—860 ℃淬火+ 600 ℃回火 5× 200 ℃回火 1× 图 3 动态实验后试样形貌 Fig.3 Shape of specimen after dynamic test 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 薛智等: 30CrMnSiNi2A 钢的动态屈服强度研究 11 兵器材料科学与工程 第 32 卷兵器材料科学与工程兵器材料科学与工程 图 5 ε·=4 500 s-1 时 860 ℃淬火+200 ℃回火试样 动态冲击断口形貌图 Fig.5 Metallographs of impact fracture of the specimen after quenching at 860 ℃ and tempering at 200 ℃ when ε·=4 500 s-1 图 6 ε·＝8 000 s-1时 860 ℃淬火+200 ℃回火 试样动态冲击断口形貌图 Fig.6 Metallographs of impact fracture of the specimen after quenching at 860 ℃ and tempering at 200 ℃ when ε·＝8 000 s-1 的 ε 碳化物质点， 随回火温度的升高， ε 碳化物逐渐 长大，并转变成为 Fe3C。图 4c中有明显的晶界，说明正 火热处理后的钢组织主要为铁素体和珠光体。 2.2 分析 由表 1 则可以得到，3 组试样在不同应变率下的 屈服强度值均表现出同样的规律： 同一组试样的屈服 强度值随应变率的增加而增大， 即呈现一定的率敏感 性。 其中 860 ℃淬火+200 ℃回火试样在高应变率时的 率敏感性要比其它两组的明显，860 ℃淬火+600 ℃回 火试样的率敏感性相对要差一些， 经过正火热处理的 试样在高应变率时的率敏感性要比在低应变率时更明 显一些。 另外，由表 1 还可以得到，在不同的热处理状态、 相同应变率下，正火热处理后的试样屈服强度值最低， 860 ℃淬火+600 ℃回火试样的屈服强度值居中，860 ℃淬火+200 ℃回火试样的屈服强度值最高。 随回火温 度的降低，试样的屈服强度值增大。这是因为在较低温 度回火时，其回火组织为低温回火马氏体，低温回火马 氏体呈板条状，它仍保持淬火马氏体的形态，板条界清 晰可见， 随回火温度升高， 马氏体的板条边界逐渐消 失，马氏体板条不再平直，边沿不再明锐。 随着回火温 度的进一步提高，奥氏体相已开始发生再结晶，细粒状 渗碳体聚集粗化。 由图 4微观组织来看， 对比不同温度回火的试样 组织，可以看到 860 ℃淬火+200 ℃回火时，马氏体基 本保持着淬火状态的条片形， 残余奥氏体沿着马氏体 板条分布； 该钢的回火组织为低温回火马氏体和从过 饱和奥氏体固溶体中析出弥散的 ε碳化物， 低温回火 马氏体呈板条状，它仍保持淬火马氏体的形态，板条界 清晰可见；回火温度到 600 ℃，此时钢的微观组织已经 转变为回火索氏体组织，奥氏体相已开始发生再结晶， 细粒状渗碳体聚集粗化，在 α 相基体上弥散分布着球 状渗碳体的组织， α相仍然保持原来马氏体的某些取向。 从表 1所列试样的参数还可以看到， 冲击后，860 ℃淬火+200 ℃回火试样都被击碎，图 3 所列冲击后试 样形貌图中的最后一个图片为 860 ℃淬火+200 ℃回 火试样冲击断裂后的照片之一。 对实验后的试样用型 号为 S-530 扫描电镜进行断口扫描，断口照片如图 5、 6所示。 860℃淬火+200℃回火试样在应变率 1 000 ~10 000 s-1范围内表现为强度比另外两组试样要高；在该应变 率范围内冲击后试样均被击碎； 宏观上表现为脆性断 裂，而 860 ℃淬火+200 ℃回火试样在应变率 10 000 s-1 时被击碎外， 其它试样的屈服强度都比正火处理的试 样要高，而塑性、韧性要比 860 ℃淬火+200 ℃回火试 样高，即表现为优良的综合力学性能。从图 5和图 6可 以看出断口上有大量韧窝， 可能是在实验过程中应变 率较高时， 高速冲击使试样吸收因塑性变形局部热量 在短时间不易散发进而温度上升，呈现局部软化，使局 部表现出较好的塑、韧性。 a a b b 12 3 结 论 1） 从微观组织分析，30CrMnSiNi2A 钢正火热处 理后的钢组织主要为铁素体和珠光体。 回火时在马氏 体板条内部有大量的弥散析出的 ε 碳化物质点， 随回 火温度的升高， ε碳化物逐渐长大，并转变成为 Fe3C。 2） 在同一应变率下，正火热处理试样屈服强度最 低，860 ℃淬火+600 ℃回火试样屈服强度值居中，860 ℃淬火+200 ℃回火试样屈服强度值最高，即：经淬火、 回火热处理后试样的屈服强度值随回火温度的降低而 增加； 同一组试样在不同应变率下的屈服强度值随应 变率增加而增大，即呈现一定的率敏感性。 3） 在 860 ℃淬火+200 ℃回火状态下，不同应变率 下的所有试样都被击碎，30CrMnSiNi2A 钢表现为一定 的回火脆性。 4） 30CrMnSiNi2A 钢在 860 ℃淬火+600 ℃回火状 态时屈服强度高于正火态，而塑、韧性高于 860 ℃淬火+ 200℃回火状态下的性能，表现为优良的综合力学性能。 4 参考文献 ［1］ 刘宪民，花峰，刘蕤，等 ． 热处理对 30CrMnSiNi2A 钢力学性 能的影响［J］． 钢铁，2003，38（1）：43-45． ［2］ 张代东． 30CrMnSiNi2A钢等温淬火性能的研究 ［J］． 山西机 械，1999（4）：12-13． ［3］ 刘天琦 ． 回火温度对 30CrMnSiNi2A 钢组织和性能的影响 ［J］． 特殊钢，2003，24（2）：16-18． ［4］ 花峰，刘宪民，王春旭． 化学成分对 30CrMnSiNi2A 钢力学性 能的影响［J］． 钢铁研究学报，2003，15（3）：25-26． ［5］ 牛靖，董俊明，何源，等 ． 超高强钢 30CrMnSiNi2A 冲击韧度 试验研究［J］． 机械强度，2006，28（4）：607-610． ［6］ Marc Andre Meyers． Dynamic behavior of materials［A］． New York：John Wiley & Sons INC，1994：323-381． ［7］ Johnson G R，Cook W H． A constitutive model and data for metals subjected to large strains，high strain rates and high temperatures［C］∥Proceedings of the 7th International Sym- posium on Ballistics． The Hague，Netherlands，1983：541-547． 硼硅玻璃与硅阳极键合机理及其界面微观结构分析 秦会峰 1，杨立强 2，孟庆森 3 （1.山西机电职业技术学院 机械工程系，山西 长治 046100；2.山西北方惠丰机电有限公司 计量中心， 山西 长治 046012；3.太原理工大学 材料科学与工程学院，山西 太原 030024） 摘 要 为提高玻璃与硅的阳极键合技术在微电子制造和封装过程中的稳定性， 对硼硅玻璃与硅进行了阳极键合试验， 通过试验，从固态热力学角度分析键合温度和电压对硅/玻璃键合质量的影响；通过扫描电镜对硅/玻璃键合界面的 微观结构进行分析，认为键合温度和界面区的强电场是形成界面过渡层的主要因素，界面过渡层的形成促进了硅/玻璃 的永久键合。 关键词 阳极键合；硼硅玻璃；硅；过渡区 中图分类号 TG453 文献标识码 A 文章编号 1004-244X（2009）01-0013-04 Microstructure and mechanisms of the interface between borosilicate glass and silicon by anodic bonding QIN Huifeng1，Yang Liqiang2，MENG Qingsen3 （1.Department of Mechanical Engineering of Shanxi Institute of Mechanical and Electrical Engineering，Changzhi 046100， China；2.Shanxi Beifang Huifeng Electromechanical Inc.，Ltd Center of Metering，Changzhi 046012，China；3.College of Material Science and Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China） Abstract For the stability improvement of anodic bonding in t he field of MEMS fabrication and sealing， anodic bonding of borosilicate glass/silicon was achieved， the influencing factors of bonded quality such as bonding temperature and voltage were analyzed based on the thermodynamic of the solid material. The microstructure of the bonding interface was analyzed by SEM. It indicates that a transitional layer is formed at the bonding interface of borosilicate glass and silicon. It is assumed that bonding temperature and heavy electric field are the main reasons of the formation of the interfacial transitional layer. The formation of the transitional layer accelerates the interfacial bonding of borosilicate glass/silicon. Key words anodic bonding；borosilicate glass；silicon；transitional layer 收稿日期：2007-12-27；修回日期：2008-06-19 基金项目：国家自然科学基金项目（50375105） 作者简介：秦会峰，男，硕士，山西屯留人；研究方向为先进材料的连接及界面物理性能。 E-mail：qhf0620@163.com。 ∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥ 兵器材料科学与工程 ORDNANCE MATERIAL SCIENCE AND ENGINEERING Vol．32 No．1 Jan., 2008 第 32 卷 第 1 期 2009 年 1 月