30CrMnSiA绝热剪切带显微观察与分析

30CrMnSiA绝热剪切带显微观察与 30CrMnSiA绝热剪切带显微观察与分析 第33卷 2010正 第6期 l1月 兵器科学与工程 0RDNANCEMATERIALSCIENCEANDENGINEERING Vo1.33No.6 Nov一20l0 30CrMnSiA绝热剪切带显微观察与分析 林艺生.傅学金,杨月诚 (第二炮兵工程学院201教研室,陕西西安710025) 摘要采用分离式霍普金森装置对30CrMnSiA的片式帽型试样进行动态剪切,利用光学显微,扫描电镜,透射电镜, 显微硬度等金相分析方法对材料绝热剪切带的微观结构演化过程进行分析.研究发现,随着加载应变率的增大,剪切带 发生由形变带到转变带的变化趋势.转变带呈"白亮"色,带内由尺寸约为50nm的低位错,等轴晶粒组成,这是典型的 再结晶晶粒特征.转变带形成过程可分为剪切变形,晶粒细化,晶粒断裂旋转,动态再结晶4个阶段. 关键词30CrMnSiA;绝热剪切带;再结晶;位错 中图分类号0344.1文献标识码A文章编号1004-244X(2010)06—0059-03 Microstructureobservationandanalysisofadiabaficshearbandin30CrMnSiAsteel UNYisheng.FUXuejin,YANGYuecheng (N0.20lStaffroom,rl'lleSecondArtilleryEngineeringCollege,Xian710025,China) AbreactThechip—hat—shapedspecimenof30CrMnSiAwasusedtostudythedynamicshearbehaviorbytheSplitHo pkinson PressureBar(SHPB).Themierostructureevolutionofadiabaticshearbandwasinvestigatedbymeansofopticalmicroscopy (OM),scanningelectronmicroscopy(SEM),transmissionelectronmicroscopy(TEM)andmicrohardness.Itisfoundthat thedeformationbandchangestothetransformationbandwiththeloadingstrainrateincreasing.Thetransformationbandisa " white"band.whichconsistsofanumberofequiaxedgrainsabout50nmindiameterswithlowdislocationdensity,and thesegrainshavetypicalrecrystallizedcharacter.Themicrostructureevolutioncanbegroupedintofourstages:shear deformation,grainsrefinement,grainsfractureandrotationstage,anddynamicrecrystallization. KeywoIdB30CrMnSiA;adiabaticshearband;recrystallization;dislocation 绝热剪切(adiabaticsheafing)现象是材料在冲击 载荷作用下的一个重要现象,普遍存在于高速冲击, 侵彻,冲孔,高速成型,切削,冲蚀等涉及冲击载荷的 高速变形过程中.绝热剪切带的形成意味着材料承载 能力的下降,被看作是材料失稳的先兆?之]. 30CrMnSiA调质后具有很好的综合力学性能.常 作为火箭发动机的壳体材料.30CrMnSiA钢作为军工 产品的结构性材料容易受到爆炸或其他冲击载荷的 袭击而产生剪切局部化,从而引起绝热失稳,造成武 器装备的严重毁坏.而目前开展3OCrMnS认材料的绝 热剪切研究比较少,所以,结合位错理论和金相观察 技术开展对调质后3OCrMnSiA剪切带形成规律的研 究具有军事意义. 1材料与方法 实验选用调质后的3OCrMnSiA钢,理论成分的质 量分数为O.28%,0.35%C,0.8%,1.1%Cr.0.8%一 1.1%Mn,0.9%一1.2%Si,P,S等杂质?0.3%.试件加 工成片式帽型.与传统帽型试件相比,片式帽型试件 更方便金相观察,如图l所示.材料调质后组织为回 火索氏体.由于合金元素Cr的存在.阻止铁素体在回 收稿日期:2010—07—28:修回日期:2010一ll—l 作者简介:林艺生.男.硕士生.E-mail:haiya26@163.tom. 图l动态剪切试件 Fig.1Sampleofdynamicshear 图230CrMnSiA热处理后的光学显微组织 Fig.2Microstructureof30CrMnSiAafterheattreatment 火过程中发生再结晶.而保留马氏体位向板条状 ,板条晶宽约为0.4Ixm,长为3,4m,显微组织见 图2,3. 剪切试验在西北工业大学冲击动力学试验室自 第33卷 图3基体透射电镜显微形貌 Fig.3TEMimageofmatrix 行研制的4,12.7mmSHPB上进行,实验原理可以参 阅文献『4].实验条件:采用L=350mm撞击杆,打击 气压分别为0.30,O.40MPa.试件剪切后经研磨,机械 抛光,腐蚀等处理后在OLYMPUS—BX61型光学显微 镜及VEGA—II—XMU型扫描电子显微镜下观察试件 绝热剪切带形貌特征.利用线切割下包含剪切带的小 片,砂纸研磨至约50m后经离子减薄至5,20nm 制备TEM薄膜.采用TECHNAI型透射电镜系统观察 剪切带的微观结构. 2结果及分析 打击气压为0.30MPa时,测得平均应变率为 3900s,.用光学显微镜观察,发现试件产生了剪切 带和裂纹,剪切带为形变带,带边缘与基体没有明显 的区别.裂纹没有完全扩展而止于基体,如图4所示. 打击气压为0.40MPa时,应变率升至7600s,,发现 试件产生多处"白亮"剪切带.剪切带与基体界限很明 显,试样沿剪切带发生断裂.如图5所示.光学显微观 察明,材料随着应变率的提高发生了从形变带向 "白亮"带的演化.靠近剪切带的组织由于强烈变形, 晶粒沿剪切方向拉长,通过透射电镜观察发现晶粒与 晶粒之间存在大量的位错,如图6所示.剪切带的边 缘则发现被拉断了的晶粒.且晶粒发生一定角度的旋 转,如图7所示.图8为剪切带中心的TEM照片.其 选区衍射斑点为类似连续的多晶衍射环,说明这些拉 长的晶粒已经被无数无畸变,等轴,位错密度小的晶 图4试样的形变带 Fig.4Deformedbandofsample 图5试件的转变带 Fig.5Transformedbandofsample 图6剪切带附近被拉长的晶粒 Fig.6Elongatedcellstructuresneartheshearband 图7剪切带边缘断裂的晶粒 Fig.7Fracture0felongatedFainattheI~u,tdaryofshearhand 图8绝热剪切带中心的TEM照片 Fig.8TEMimageofadiabaticshearingband 粒所代替,晶粒平均直径约为50nm,且细小晶粒没 有方向性,而这些是再结晶晶粒的典型特征.正是 这种细化的组织结构.使其在硝酸酒精的腐蚀下表 现为各向同性,在金相显微下显示出同一的反光特 征.即"白亮"带[91. 由于30CrMnSiA在常温下属体心立方结构 (bcc),具有较高的层错能,其变形方式主要以位错的 第6期林艺生等:30CrMnSiA绝热剪切带显微观察与分析 i-IV:氨时W帆.嵋m^O柚岬_eT?婶 图9试样绝热剪切带的显微硬度照片 Fig.9Microhardnessimagesofadiabaticshearband 表1剪切带显微硬度值 Table1Microhardhessofadiabaticshearband 序号硬度(HV)序号硬度(HV) l380.21454o.21 2393.625402.37 3854.266411.4 滑移为主.图3,6,8所示的晶粒形貌变化能够反映绝 热剪切带中心组织演变过程.根据适用于高速动态变 形的再结晶机制一晶粒机械破碎及晶界迁移,亚晶 粗化的混合机制【,可以推测材料中剪切带的形成过 程为:变形形成时,晶粒被拉长.形成胞状结构,位错 迅速繁殖并在晶界或障碍物形成位错塞积_6],胞状边 界是位错密集的地方.位错的塞积和不均匀分布,使 得胞状结构边界形成应力集中和应变梯度.当胞状结 构边界的某个位置其应力和应变超过晶粒的强度极 限时.晶粒首先在这个位置发生断裂,并形成细小晶 粒,为动态再结晶提供晶核.这种再结晶核心一旦形 成,亚晶粗化机制便开始起作用.亚晶粗化机制的过 程为:相邻的亚晶为降低表面能而转动相互合并,产 生亚晶粗化而完成再结晶.本实验在剪切带的边缘也 发现了晶粒的碎化和转动,支持这种再结晶机制.新 晶粒形成过程中.大量的异号位错相遇而抵消.还有 一 些位错参与新晶界的形成而造成位错密度降低.根 据再结晶理论.晶粒中储存能增大,再结晶的驱动力 就越大,应变储存能与位错密度成正比n】.说明塑性 变形中产生的绝热温升和应变储存能为亚晶的形成 与晶核的长大提供能量保证.剪切带内的大应变和超 高应变率,加速裂纹的萌生与连接过程圳.裂纹将沿 着剪切带进行扩展直至发生失稳断裂,如图5所示. 由金相观察可知,越靠近剪切带,晶粒拉长越厉 害,晶粒宽度越细.用MICROMET5104显微硬度计 对剪切带及周边基体进行硬度测试,测试结果见图9 和表l.明显看出,越接近剪切带,压痕面积越小,硬 度越大.通过上述分析可知,靠近剪切带的高硬度是 晶粒塑性强化,位错加工硬化的结果,而剪切带中心 的高硬度则是再结晶生成细小等轴晶粒引起的. 3结论 1)随着剪切应变率的增加,材料发生从形变带 到转变带的演化. 2)试样的"白亮"带发生了动态再结晶. 3)转变带的微观结构演化过程为:晶粒在剪切 应力作用下拉长变形成胞状结构一胞状边界塞积大 量位错,晶界应力集中一晶粒断裂,旋转,晶核形成一 新晶粒长大,位错密度降低. 4)剪切带内再结晶的等轴细小晶粒表现各向同 性,对光具有相同的反射率,从而呈现出"白亮"色. 4参考文献 [1]杨扬,程信林.绝热剪切的研究现状及发展趋势[J].中国 有色金属,2002,12(3):401—408. 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