滑移爆轟條件下柱殼狀高純銅的層裂損傷研究

陳冀雄，楊揚，，郭昭亮

（1.中南大學材料科學與工程學院，湖南長沙410083；2.中國工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理實驗室，四川綿陽621900）

滑移爆轟條件下柱殼狀高純銅的層裂損傷研究

陳冀雄1，楊揚1，2，郭昭亮2

（1.中南大學材料科學與工程學院，湖南長沙410083；2.中國工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理實驗室，四川綿陽621900）

利用滑移爆轟加載柱殼狀高純銅，獲得其初期層裂軟回收試樣，并借助于多普勒探針系統獲得其自由面速度曲線；利用背散射電子衍射技術研究了柱殼狀高純銅的初期層裂特征。結果表明：相同沖擊應力條件下，柱殼狀試樣形成形變孿晶的應力閾值提高，這可能是試樣本身形狀導致沖擊過程中切應力下降造成的。孔洞傾向于在一般大角度晶界形核，而孿晶界對孔洞的形核有抑制。不同取向的晶粒孔洞的形核傾向不同，兩側晶粒的TF差值晶界上孔洞容易形核，同時沖擊方向與晶界的幾何夾角也對形核位置有影響。相鄰孔洞間晶粒的Taylor Factor（TF）值小，有利孔洞間的聚集、貫通。

滑移爆轟；柱殼狀無氧銅；層裂；微觀結構；EBSD

0 前言

在超高速工業切削、武器應用、航空航天等領域，材料往往處于高應力或高應變率加載等極端應用環境，這些情況下的材料失效是近年來重要研究的方向。動態加載下，金屬材料的動態拉伸斷裂（層裂）是主要的損傷斷裂方式之一，由于層裂過程復雜，不同材料類型，試樣形狀的損傷機理均會存在差異，以往的研究表明，層裂過程與沖擊加載條件（波形、加載時間、加載方向）和材料微觀結構等有關。在延性金屬中，層裂損傷過程主要包括微孔洞的形核、長大及貫通，直到形成宏觀斷裂等。

近年來不同加載方式下的材料微結構對層裂行為影響得到了廣泛研究，Gray[1]利用滑移爆轟加載獲得不同損傷程度的鉭金屬平板層裂試樣，發現沖擊波具有的傾斜角使得鉭的層裂強度降低，同時，隨著沖擊波傾斜角的增大，變形孿晶更容易發生。隨后Yang[2]在平板無氧銅的滑移爆轟加載實驗中，較低的沖擊應力下也得到了形變孿晶，且層裂損傷主要在晶粒的Taylor Factor高的一側晶界形核。Koskelo[3]發現層裂損傷出現在局部微結構中容易出現大量位錯的區域，同時這個出現的損傷在隨后的沖擊波的循環作用下不斷得到發展。Furnish[4]等發現，在平板沖擊試驗中不同晶粒鉭金屬層裂試樣孔洞的形核位置與試樣最初的晶粒尺寸有關。晶粒尺寸為20 μm的試樣比40 μm的有更寬的孔洞分布區域，相對于高應力狀態下，低應力狀態時微結構對層裂行為的影響更加明顯。在多晶銅中，研究證實晶界是初級層裂的主要孔洞形核點[5]。最近Brown[6]研究了平板沖擊下局部微結構薄弱環節對多晶銅試樣層裂損傷的影響，發現應變協調性在金屬材料的晶間層裂損傷中扮演著非常重要的角色。

然而一直以來的研究主要集中在單向應力條件下的層裂行為，而更貼近實際應用的層裂現象通常發生在比較復雜的應力條件下。目前對于復雜應力條件下層裂的研究則較少。本文利用滑移爆轟加載，獲取柱殼狀無氧銅的層裂試樣，利用Doppler pins system（DPS）激光干涉測速技術和背散射電子衍射技術（EBSD）對復雜應力下的無氧銅層裂行為進行研究，實驗結果可為復雜應力下的無氧銅層裂損傷的研究提供一定的參考。

1 實驗方法

1.1 材料

本次實驗所用的試樣材料為99.99%高純無氧銅，原始試樣為規格?40mm×82mm擠壓態無氧銅棒，在700℃條件下退火1h，水冷處理，獲得均勻的組織結構后進行機加工，獲得尺寸為?35.70mm×5.75mm×82mm的最終試樣。

1.2 柱殼狀無氧銅滑移爆轟實驗

實驗采用滑移爆轟加載（實驗參數見表1），由中國工程物理院（CAEP）完成，實驗裝置圖如圖1所示。裝置由柱殼狀試樣上端的雷管進行中心起爆，隨后沿著軸向形成穩定滑移爆轟。為避免試樣撞擊地面產生二次損傷，實驗在沙地上進行，并最終獲得軟回收試樣，同時通過內部放置的DPS探頭對自由面進行實時測速，獲得試樣自由面歷史時間曲線。圖2為軟回收后的層裂試樣和切割方案。從圖2中可以看出，沖擊后試樣發生了較大的塑性變形，外觀呈雙向喇叭形，且沖擊后柱殼狀無氧銅的外徑縮小。

表1 滑移爆轟實驗參數

圖1 滑移爆轟實驗的裝置示意圖

圖2 軟回收試樣及切割方案

2 結果與討論

2.1 自由面速度曲線特征

實驗所獲得的自由面速度（FSV）曲線見圖3，三種不同的外部加載條件下的速度曲線均有速度回跳，為了使曲線便于觀察和對比，速度曲線的時間軸調整為一致。

對于滑移爆轟沖擊實驗，沖擊壓力采用如下公式近似計算[7]：

層裂強度的計算公式為[8]：

通過曲線看出：R3、P3、R4所對應的峰值速度回彈分別為180.81，159.09，245.01 m/μs。由以上公式得出，對應的無氧銅層裂強度、峰值沖擊壓力的結果見表2。

表2 自由面速度參數

圖3 自由面速度曲線

2.2 滑移爆轟加載對材料微結構的影響

爆轟沖擊后，銅柱殼出現明顯的宏觀形狀改變，形狀呈雙向喇叭狀，同時，對試樣的微結構也有一定的影響。圖4為沖擊前后試樣R3的EBSD取向圖，其中箭頭方向為沖擊方向。從圖中可以看到，圖4（a）中晶粒呈等軸狀，不同的顏色代表著不同的晶粒取向。而圖4（b）中晶粒的形狀各異。同時，沖擊前后的晶粒大小的變化也不明顯，統計結果見圖5。沖擊前后的晶界取向差如圖6，取向差為58.75°～61.25°的晶界數量在沖擊前為31.7%，而沖擊后下降到30.8%。這說明∑3晶界（取向差為60°）并沒有增多，即沖擊過程中并沒有產生形變孿晶。作者在平板滑移爆轟沖擊下的銅平板試樣中，在3.65GPa下得到了形變孿晶。然后在本次實驗中，沖擊應力（3.28GPa）與作者前期無氧銅平板滑移沖擊下應力條件相當，但本次實驗中，卻沒有形變孿晶產生。Sanchez[9]等在柱狀銅的滑移爆轟加載下，大晶粒（375μm）多晶銅產生形變孿晶的臨界壓應力為11GP，且隨著晶粒的減小，形變孿晶的臨界應力增大。而本次實驗試樣晶粒大小為35μm，沖擊應力為3.28GPa，遠小于該臨界值。Gray在研究不同形狀鉭金屬的初級層裂時發現，在平板鉭金屬的沖擊試驗中，滑移爆轟下鉭金屬出現形變孿晶的應力閾值比平板飛片沖擊時要小，但在半柱殼鉭金屬的滑移爆轟加載下也沒有出現形變孿晶。

實驗的結果說明：試樣幾何形狀對形變孿晶的臨界應力有影響，且試樣中存在的曲率會提高形成變形孿晶的臨界應力。在沖擊波壓縮柱殼的過程，可以通過應力三維度的變化來反映材料受力不同應力狀態情況。其值為[10]：

從上式看出，Rσ的表達式可解釋為應力場中的三軸應力狀態和對材料變形的約束程度，在一定范圍內，應力三維度值大，應力狀態偏于受拉狀態，形狀變形較小，材料易于拉斷；應力三維度值小，應力狀態偏于受壓狀態，形狀變形較大，會有較大的塑性變形產生，材料易于剪斷。

在柱殼狀滑移爆轟過程中，沖擊波呈扇形向自由面匯聚，這使得徑向壓應力在向著內表面傳播過程中由于應力的匯聚作用增大而Rσ不斷提高，即使得試樣應力狀態偏于受拉狀態。應力狀態的改變使得剪切斷裂傾向降低，而形變孿晶由剪應力作用產生。這導致在柱殼狀試樣中產生變形孿晶的臨界沖擊應力上升。由此，合理地解釋了在近乎相同的沖擊壓力下，柱殼狀的無氧銅沒有觀測到形變孿晶，而平板無氧銅則發生了孿生變形。

圖4 沖擊前后無氧銅試樣的晶粒取向圖

圖5 沖擊前后試樣晶粒大小對比

圖6 沖擊前后晶粒取向差對比

2.3 晶界類型對孔洞形核位置的影響

沖擊后R3試樣的晶界重構圖如圖7所示，圖7黑色部分為一般大角度晶界，紅色為∑3晶界，由2.2部分可知，這些∑3晶界全部為退火孿晶界。從圖7可以發現，孔洞都集中在晶界處，尤其是晶界的交點，而在晶粒內部，則沒有發現孔洞的形核。從圖7右側的放大圖中可以看出，孔洞的形核點為一般大角度晶界（HAGB）的交叉節點和HAGB與終止孿晶晶界的交叉點，同時孔洞沿著晶界呈橢圓形長大或者沿晶界伸長。Peralta在純銅平板沖擊中發現孔洞在晶界交點和終止孿晶界形核。但是在本次實驗中，在孿晶界或者單獨的終止孿晶界上，沒有發現孔洞的形核。研究表明，孔洞傾向于在應力集中點形核，在沖擊加載下，有大量的缺陷如位錯生成并滑移到晶界處聚集、纏繞，出現應力集中。Wayne等認為，終止孿晶和HAGB為弱晶界，其中HAGB具有高的晶界能和較低的界面能，這導致局部容易出現應力集中，而終止孿晶中有些晶界面不是{111}孿晶面，這些終止孿晶界為高能孿晶界，這是造成這類晶界是孔洞形核點的主要原因。而孿晶界則相反，其晶界能量僅為HAGB的1/10，低能量的界面結構非常穩定，這使得孿晶界在沖擊加載下對孔洞形核有阻滯作用。同時，只要當達到一定應力閾值后，聚集在孿晶界處的滑動位錯在孿晶界兩側的晶粒有重合的晶格面后，滑移就能越過孿晶界或者激活二次滑移，從而使得應力集中消除，抑制孔洞的形核。而本次實驗的沖擊應力為3.28GPa，遠遠滿足這一應力要求。近期Fension對不同晶界在沖擊應力下的形核過程分子間動態模擬也證實，∑3晶界具有發散位錯而消除應力集中的性質。

圖7 R3對應層裂區的晶界重構圖

本次試樣采用的是多晶體無氧銅柱殼，由于晶粒小（31.52μm），使得單位體積內晶界的交點增多，而構成這些節點的晶粒TF值不同，這造成了晶界交點處的塑性變形能力出現差異，即容易產生應力集中，造成了孔洞形核多集中在晶界交點處。

2.4 泰勒因子對孔洞形核位置及長大方式的影響

層裂試樣的Taylor Factor(TF)圖如圖8所示，其中箭頭所指方向為沖擊方向，TF是晶體抵抗塑性變形的能力的一個有效參考量，其值越小，獨立活化滑移系的組合越多。如圖8中1，2，3，4所示，孔洞大部分都是在TF值較高的晶粒與其他晶粒間的晶界上形核，這是由于這些晶粒的滑移系少，難以發生塑性變形，而相鄰的其他晶粒塑性變形能力強，這使得晶界兩側的塑性變形能力不一致而產生應力集中，導致孔洞的形核。Yang[2]在平板的滑移爆轟中，發現孔洞向著TF值高的晶粒長大。但是在本次實驗中，孔洞向TF高晶粒長大的傾向不明顯，且觀察到孔洞沿晶界長大（圖8中3、4所示）。在圖8中5區域，兩側TF較低的晶界上，也發現孔洞形核，這可能是該晶界與沖擊應力垂直導致的。且這兩個孔洞間已經出現了貫通（圖8右側小圖中白色箭頭所示）。Lebensohn[11]發現臨近的孔洞發生聚集或者獨立長大取決于孔洞間的晶粒的TF大小，低TF兩側的孔洞更容易聚集長大。標記5中出現的貫通的孔洞之間的晶粒TF值也較小（TF<2.8），且出現穿晶損傷。孔洞在晶粒兩側形核、長大，由于晶粒TF值較小，晶粒內獨立的活化滑移系多，這使得晶粒處于“軟取向”，孔洞的長大是由晶粒的塑性變形釋放能量的結果，晶粒的塑性變形使得晶粒的TF降低，TF的降低又反過來促進孔洞的長大，如此循環，直到孔洞間發生聚集、貫通。

圖8 沖擊后試樣R3的Taylor Factor圖

3 結論

本文通過不同炸藥厚度的滑移爆轟實驗，獲得了柱殼狀高純銅的初級層裂軟回收試樣，利用多普勒激光干涉測速（DPS）和背散射電子衍射（EBSD），對晶粒類型、晶粒取向等微結構對高純銅層裂行為進行研究。結果如下：

（1）本文中柱殼狀的無氧銅沒有發生孿生變形，而本文作者前期在近乎相同的沖擊壓力下的滑移爆轟下平板無氧銅觀測到了形變孿晶。這是由于柱殼狀試樣存在的曲率使得形變孿晶形成的閾值提高。沖擊波在壓縮圓柱殼體試樣過程中會產生匯聚，使得在相同沖擊應力條件下，柱殼狀試樣徑向上截切應力比平板狀試樣要小，即提高了柱殼狀無氧銅的形變孿晶的形成閾值。

（2）在柱殼狀無氧銅層裂試樣中，孔洞集中在一般晶界的交叉點和一般晶界與終止孿晶的交叉點形核；而孿晶界由于晶界能低，且滑移容易穿過孿晶界或者活化二次滑移，而使得應力集中被釋放而抑制孔洞的形核。

（3）孔洞傾向于在兩側TF差較大的晶界形核，同時較小TF晶粒兩側的孔洞更傾向于聚集長大。這是由于構成這些交叉點的晶粒TF值不同，這造成了晶界交點處的塑性變形能力差異，容易出現應力集中而出現孔洞形核；同時孔洞的長大和晶粒微觀取向（TF）相互影響，導致較小TF晶粒兩側的孔洞更傾向于聚集長大。

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Research on Spallation Damage for Cylindrical High-purity Copper under Sliding Detonation

CHEN Ji-xiong1，YANG Yang1,2,GUO Zhao-liang2
(1.School of Material Science and Engineering,Central South University,Changsha 410083;2.Chinese Academy of Engineering Physics,Mianyang 621900,China)

A series of sliding detonation experiments were conducted to study the primary spall failure of high purity copper cylinder, spalled samples were soft recovered and the free surface velocity curve were obtained by the Doppler Pin System(DPS).Primary lami?nation crack characteristics for high purity copper using EBSD technology.

sliding detonation;high purity copper cylinder;spallation;microstructure;EBSD

TG146.1+1

A

1005-4898(2017)03-0043-07

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.03.10

NSAF聯合基金（No.U1330126）；國家自然科學基金（No.51274245、No.51574290）；教育部博士基金（NO.20120162130006）。

陳冀雄（1990-），男，江西人，在讀碩士研究生，研究方向：材料動態成型。

2016－04－29