冶金因素影響絕熱剪切帶形成的金相觀察

葉慧麗

（江蘇省產品質量監督檢驗研究院，江蘇 南京 210007）

冶金因素影響絕熱剪切帶形成的金相觀察

葉慧麗

（江蘇省產品質量監督檢驗研究院，江蘇 南京 210007）

摘 要：本文分析了同等爆炸復合條件下多種狀態金屬所出現的絕熱剪切帶（ASB），對其顯微組織觀察結果、硬度判斷進行簡單分析，并探討了不同生成環境下，晶體結構對ASB形成的影響。最后分析結果發現，晶體構成情況、預冷變形程度、產品結構等因素是影響ASB的重要因素。

關鍵詞：冶金因素；絕熱剪切帶；金相觀察

一、實驗檢測方法

本文選取5種材料作為復板，復板的基本資料見表1。并在相同條件下，與低碳鋼板實現平板爆炸復合，其基本資料如圖1所示。在復合板上，同等部位沿射流方向收取設備樣品，并采用光學顯微鏡實現金相觀察，最后測量ASB與樣品顯微硬度。

二、實驗結果與討論

1 ASB金相組織分析

分析同種工況下TA2/TA3爆炸復合界面金相組織結果，經相關數據處理發現，經過沖擊后，復合板之間形成具有波紋特點的多頻次界面，滿足爆炸復合基本組織的常規特征，與權威報道一致。

在實驗中發現，界面鈦側產生ASB，該ASB的特點為：（1）ASB逐漸變粗，且在階段終端達到最大值，最大值寬度約為最小值的（2.3±0.15）倍；（2）ASB與界面形成夾角，夾角大小為（45±0.32）°，并向基體方向延伸，并在基體中消失；（3）ASB晶粒小，皆屬于動態再結晶組織。

從多種金相組織的實驗結果來看，可發現不同情況下的ASB數量存在明顯差異（如圖2所示）。本文選取兩例金相組織，將其設為組織1、組織2，其中組織1的ASB數量多，且長度更長、寬度更寬。經計算發現，組織1的預冷變形量約為15.8%，明顯大于組織2的7%。該結果說明，對于同種材料而言，變量越大則材料儲能越大，能進一步降低再結晶溫度，積極促進動態再結晶行為的發生。

通過對Ta9研究發展，此種材料金相數量小于組織2，且長度更短，在未經過預冷變形處理之前，材料內部所儲存的能量更少（如圖3所示）；在對材料N6進行金相觀察時，發N6側面界面發生劇烈變形，進而生成一系列的相位組織，未發現ASB。本文認為，該金屬可能在碰撞點附近因高速傾斜碰撞而受到較大的壓力，絕熱剪切作用是導致未出現ASB的主要原因。

2 數據計算公式

在綜合考慮熱交換、爆炸瞬間溫度變化等因素的前提下，本文結合能量守恒定律，對該區域熱能變化情況進行統計，其計算公式為：

在上述公式中，Cr代表熱容比；p代表材料未接受爆炸前溫度；T代表標準下爆炸溫度；k代表熱傳導系數，t代表時間。以N6/A3為例，其熱傳導系數k值等于0.942J/cm×K×s，τ等于0.1512×J/ cm×K×s。由此可見，當熱傳導系數越大時，由熱傳導系數而引起的熱能損失率的數值也進一步增大，兩者呈正比例關系，由碰撞聚集能量而轉化成熱能難以保證溫度升高，最終不會發生絕熱剪切現象。同時，多數資料指出，絕熱剪切可能屬于一種位錯運動，與其孿生變形條件下的高應變速率無法產生協調關系，最終轉化為材料失穩的一種形式。在本次研究中，N6屬fcc結構，其滑移系為12個，而TA2、TA9屬hcp結構，滑移系僅為3個。因此，若從晶體結構來看，N6出現絕熱剪切的概率也會明顯小于TA2、TA9。

表1 物種復板材料基本數據統計

3 加載資料分析

本文統計TC4/A3復合界面金屬的金相圖像，具體資料如圖4所示。從不同材料的圖像來看，TC4/A3復合界面金屬的金相圖像明顯區別與TA2、TA9的ASB形態。同時，TC4圖像中的ASB出現明顯的分叉現象，從形狀上來看，該分叉為一條粗壯的強切帶分叉，并分為兩條相對較細的ASB。由表1可知，TC4屬于α+β的兩相組織，兩相熱容比、熱傳導系數等不同，導致其導熱能力出現差異。因此，分叉現象可以判斷為熱變形條件下，材料出現動態再結晶的結果。從α+β兩相組織的導熱能力來看，由于導熱能力不同，導致同一金屬不同位置的ASB發生變化，最終形成分叉剪切帶，該理論與Wittman的相關結果是相符的。早在20世紀90年代，Wittman提出ASB形核機制，認為ASB形核于塑性變形加強區域，α相與β相的變形能力明顯不同，導致ASB分叉。

圖2 實驗環境下不同金相組織的表現形式

圖3 TA9沖擊加載之后的金相組織（★100）

圖4 TC4沖擊加載后金相組織圖像

4 顯微硬度分析

為更加準確的觀察不同材料的ASB硬度值與內部機體情況，要進行顯微硬度分析，通過建立具有數據表達能力的圖表，清晰顯示不同材料的ASB與Base metal情況。

經統計發現，上述幾種材料的ASB值均略高于鈦基體硬度值，同時經研究發現，TC4硬度值高于TA2、TA9硬度值（如圖5所示），從金相圖像觀察結果來看，TC4屬于α+β兩相合金，而TA2、TA9屬于α單相合金，在標準情況下，TC4的主要成分表達方式為Ti-6AL-4V，V元素、β元素是TC4的主要組成部分。從分子角度來看，TC4原子類似與鈦，因此其在鈦中的溶解度高于其他金屬，有利于進一步提高鈦合金強度。因此，TC4合金硬度與ASB優于TA2、TA9。

結語

本文通過進行實驗，本文最終得出以下幾點結論：

（1）受檢材料的相組成情況、預冷變形程度、材料熱學特點、材料力學特點、晶體結構等是影響ASB的重要因素，相關工作人員若想獲得更加準確的金相觀察結果，就必須要在綜合考慮以上幾方面要素的基礎上，全方位分析材料的基本特點，才能保證金相觀察結果的科學性、有效性；

（2）ASB數量受到材料預冷變形情況的影響，ASB與預冷變形量呈正比例管理，預冷變形量越大，ASB越寬、越粗；

（3）ASB硬度值普遍高于基體

綜上所述，冶金因素影響絕熱剪切帶形成的金相觀察受到多種因素的影響，相關工作人員在工作過程中，可由材料的基本性質入手，在充分結合預冷變形條件、環境熱變化的基礎上，多方面考慮多種因素，才能進一步提高分析的準確性。

圖5 三種金屬顯微硬度柱狀統計圖

參考文獻

[1]楊揚，程信林，李正華，等.冶金因素影響絕熱剪切帶形成的金相觀察[J].稀有金屬材料與工程， 2003， 32（04）：261-263.

中圖分類號：TG506

文獻標識碼：A