純釩在沖擊加載下的動態拉伸斷裂和彈性波衰減特性*

李雪梅，俞宇穎，胡昌明，張祖根，彭建祥，王 為

(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重點實驗室，四川 綿陽 621999)

釩具有熔點高、延展性好、高溫強度高的特點，被廣泛應用于航天、醫藥等領域，是鐵、鈦等多種合金材料的重要添加元素。同時，由于具有中子輻照活性低、抗輻照腫脹能力強、與液態金屬鋰相容性好的優點，純釩是國際熱核聚變反應堆第一壁的重要候選結構材料[1-2]。

已有的靜態和準靜態實驗研究表明，純釩的力學性能強烈依賴于材料純度和制備方法，初始微結構差異對其屈服強度、斷裂強度和斷裂韌性等力學性能具有重要影響[2-7]。同時，材料的力學特性往往與加載壓力和加載應變率密切相關，而當前對純釩動態沖擊性能的研究較少，且以低壓沖擊下的流動特性[8-12]、高壓沖擊相變[13-14]為主。近幾年來，高應變率下純釩的變形和動態斷裂已引起學術界的重點關注。例如，Zaretsky等[15]、Kanel等[16]針對純釩在平板沖擊和斜波加載下的彈性波衰減特性開展了實驗研究，分析了溫度對純釩屈服強度和層裂強度的影響；Saveleva等[17]采用化爆加載分析了純釩的彈塑性衰減特性及層裂斷裂對應變率的依賴性；Ashitkav等[18]則利用超短激光脈沖研究了高應變率下純釩的損傷斷裂。上述研究為純釩在動壓高應變率環境下的應用提供了重要依據，但缺乏不同材料制備方法下純釩的高應變率響應特性的比較研究。

本文中，以熱等靜壓法(hot isostatic pressing, HIP)制備的國產純釩為研究對象，采用一維平板撞擊技術和激光干涉測速技術對沖擊加載下純釩的動態拉伸斷裂開展實驗研究，分析加工工藝、應變率對純釩動態拉伸斷裂的影響；此外，通過對彈塑性加載速度剖面的分析，給出純釩彈性前驅波的衰減規律。

1 實驗原理及材料參數

實驗原理見圖1，以?100 mm口徑的一級輕氣炮為加載平臺，采用對稱碰靶方式，使純釩飛片以預定的彈速撞擊純釩樣品，在飛片和樣品內分別產生左行和右行彈塑性加載波。它們分別到達飛片后界面和樣品自由面后，經反射在樣品內產生相向傳播的兩簇中心稀疏波，兩者在樣品內相遇后產生拉應力區。當拉伸應力幅值足夠大，則樣品將發生層裂，并在層裂斷面處形成新的自由面，使樣品自由面速度發生回跳，形成回跳層裂信號。利用激光干涉測速技術DISAR(displacement interferometer system of any reflector)[19]監測彈速和純釩樣品的自由面速度歷史，便可以獲得純釩的層裂強度和沖擊Hugoniot參數，分析純釩的彈性波衰減效應。

純釩試樣與文獻[13-14]中的為同批次，采用粉末冶金工藝，由熱等靜壓法(HIP)制備而成(以下簡稱HIP純釩)，其平均晶粒尺寸小于70m，純度為99.93 %，主要雜質成分及含量見表1。純釩的密度為6.104 g/cm3，實測零壓縱波聲速和剪切波速分別為cL=6.053 km/s和cs=2.770 km/s，由此得到其零壓體波聲速cb=5.139 km/s，泊松比ν=0.364。實驗采用兩種不同的飛片厚度，以分析不同拉伸應變率對純釩層裂強度的影響。

圖1 層裂實驗裝置及實驗原理Fig.1 Schematic of the experimental configuration

雜質元素a)CNOAlFeCrSi質量分數/%0.00520.00260.0200.016<0.005<0.0050.018

注：a) 除Al和Si外，其余雜質含量均優于GB4310-84?釩?中V-1牌號熔煉釩的指標。

2 實驗結果及分析

2.1 實驗參數和主要結果

表2 純釩對稱碰撞層裂實驗參數及結果Table 2 Summary of experimental parameters

注：a)括號內的值為不考慮回跳速度修正得到的層裂強度。

圖2為HIP純釩的自由面速度剖面測量結果匯總。由圖2可以看出：在加載段，波剖面具有典型的彈性波-塑性波雙波結構；在卸載段，由兩相向傳播的稀疏波相互作用引起的層裂回跳信號特征明顯。

圖2 純釩的自由面速度剖面匯總Fig.2 Measured free-surface velocity profiles of HIP vanadium at different impact velocities

2.2 純釩的動態拉伸斷裂特性

利用圖2所示的自由面速度剖面數據, 便可以計算純釩的層裂強度σsp。由于平板撞擊下加載波為梯形脈沖，樣品和層裂片內的彈塑性波及其相互作用將導致速度剖面畸變，使得由σsp=ρ0cbΔufs/2計算得到的層裂強度偏離真值。為此，本文采用下式給出的層裂強度公式計算σsp，以計入材料彈塑性特性效應引入的回跳速度修正[21]：

(1)

層裂強度σsp對應的平均拉伸應變率為：

(2)

圖3 HIP純釩層裂強度隨加載壓力和應變率的變化關系Fig.3 The dependence of spall strength for vanadiumon shock pressure and tensile strain rate

圖4 不同實驗給出的純釩層裂強度比較Fig.4 Comparison of spall strengths obtainedby different experiments for pure vanadium

從表2可以看出，在一維平面沖擊加載下，國產HIP純釩具有較強的抗拉伸斷裂能力，計入材料彈塑性特性導致速度剖面畸變引入的速度修正時，其層裂強度高達4.0～5.3 GPa。同時，純釩的層裂強度對沖擊壓力和拉伸應變率均比較敏感。從實驗No.1～No.3的結果來看，在平均拉伸應變率變化不大的情況下，沖擊壓力從5.2 GPa升高到8.6 GPa時，純釩的層裂強度升高了1 GPa；而比較實驗No.3和No.4發現，雖然沖擊壓力十分接近，但當拉伸應變率從0.66×105s-1升高到1.19×105s-1時，純釩的層裂強度也升高了0.3 GPa。本文HIP純釩層裂強度對壓力和應變率的依賴關系見圖3。純釩層裂強度對應變率的依賴性在文獻[15]和[17]中也有報道。這兩篇文獻采用與本文相同的層裂強度計算方法，前者在1.5×105～5.1×105s-1(平板沖擊加載)應變率下得到的純釩層裂強度在2.6～3.9 GPa范圍，后者在～107s-1(化爆加載)應變率下得到的層裂強度升高至～6.4 GPa，高應變率的影響更明顯。圖4直觀地給出了不同應變率實驗下純釩的層裂強度匯總。

此外，從圖4可以看出，在相近加載條件下(平板沖擊)，本文HIP純釩的層裂強度明顯高于Zaretsky等[15]給出的熔煉純釩實驗結果，在～105s-1應變率下平均相差～1.3 GPa。上述差別的原因可以歸結于不同加工工藝下材料初始缺陷的差異。一方面，圖2中較光滑的速度回跳信號顯示出純釩韌性斷裂的典型特征，其損傷演化是在拉伸脈沖作用下孔洞成核、長大和聚合的過程。另一方面，與熔煉法純釩相比，本文中采用HIP法制備的純釩純度較高(>99.93%)，晶粒較細(晶粒大小<70m)，組織更均勻，釩基體晶界結合更緊密，影響其力學性能的內缺陷(特別是晶間孔隙)更少。上述原因使得HIP純釩損傷成核較困難，導致其抗動態拉伸斷裂的能力更強。

總體看來，HIP純釩具有較強的抗動態拉伸斷裂能力，其層裂強度對沖擊壓力和拉伸應變率均比較敏感。

2.3 純釩的彈性波衰減特性

圖6 純釩的Hugoniot彈性極限隨樣品厚度的衰減規律Fig.6 Decay of elastic wave with sample thickness for pure vanadium

為了更好地分析純釩的彈性波衰減特性，圖6給出了Hugoniot彈性極限隨樣品厚度變化的現有實驗數據匯總。初步看來，盡管s材料制備工藝不同，但本文中所得到的3、6 mm厚HIP純釩樣品的Hugoniot彈性極限與文獻[15]和[20]中給出的2.5～5.0 mm范圍內的熔煉純帆實驗結果整體趨勢一致，材料制備工藝對純釩Hugoniot彈性極限的影響并不明顯。

從圖6可以看出，純釩的彈性前驅波幅值σHEL在樣品厚度低于2 mm時的衰減較顯著；當樣品厚度大于2 mm后，樣品厚度對σHEL的影響逐漸減弱，至hs>6 mm后趨于穩定。對圖6中的全部實驗數據采用指數衰減函數進行擬合，得到其最佳擬合方程為：

σHEL=3.246(hs/h0)-0.386hs≤6 mm

(3)

式中：h0為單位長度。為便于比較，圖6中同時給出了Zaretsky等[15]由0.25 mm≤hs≤2 mm范圍內的純釩實驗數據擬合得到的對數衰減曲線,σHEL=3.2-1.74 ln(hs/h0)。由圖6可以看出，兩種擬合曲線在hs≤2 mm內基本一致；本文中給出的指數衰減函數式(3)對于0 mm≤hs≤6 mm范圍內純釩的彈性波衰減特性均可以較好地進行描述；而Zaretsky等[15]給出的對數衰減函數僅能描述2 mm厚度范圍內純釩彈性波幅度的快速松弛，隨著樣品厚度的增大，該曲線與實驗結果偏離越來越大，使用時需要謹慎。

3 結 論

純釩的動態沖擊響應特性與材料加工工藝密切相關。本文中采用平板沖擊加載技術，實驗獲得了國產熱等靜壓(HIP)純釩在沖擊壓力5.2～9.0 GPa、拉伸應變率0.47×105～1.19×105s-1的層裂強度, 并對其彈性波衰減特性進行了分析。主要結論如下：

(1)國產HIP純釩具有較強的抗動態拉伸斷裂能力，一維平板加載下其層裂強度位于4.0～5.3 GPa范圍，明顯高于相似加載條件下文獻給出的熔煉釩實驗結果。分析認為這與熱等靜壓加工工藝下純釩雜質含量低、內缺陷(特別是晶間孔隙)較小、釩基體晶界結合更為緊密有關；

(2)純釩層裂強度對沖擊壓力和拉伸應變率均比較敏感。沖擊壓力從5.2 GPa升高到8.6 GPa時，純釩的層裂強度升高了1 GPa；而在相近壓力下，當拉伸應變率從0.66×105s-1升高到1.19×105s-1時，純釩的層裂強度也升高了0.3 GPa。隨著應變率的升高，純釩層裂強度對應變率的依賴性更顯著；

(3)純釩的彈性波幅值隨樣品厚度增大而逐漸衰減。在6 mm樣品厚度范圍，其雨貢紐彈性極限σHEL隨樣品厚度hs的衰減規律可采用指數函數σHEL=3.246 (hs/h0)-0.386較好地近似，其中h0為單位長度。