晶粒尺寸对高纯铝板材层裂特性的影响

陈伟; 谢普初; 刘东升; 史同亚; 李治国; 王永刚

doi:10.11883/bzycj-2020-0130

晶粒尺寸对高纯铝板材层裂特性的影响

doi: 10.11883/bzycj-2020-0130

1.
宁波大学冲击与安全工程教育部重点实验室，浙江宁波 315211
2.
中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理重点实验室，四川绵阳 621999

基金项目: 国家自然科学基金（11972202）；科学挑战专题（TZ2018001）；冲击波物理与爆轰物理重点实验室稳定支持项目（JCKYS2019212009）

详细信息

作者简介:
陈　伟（1993－　），男，硕士研究生，1172957504@qq.com

通讯作者:
王永刚（1976－　），男，博士，教授，wangyonggang@nbu.edu.cn

中图分类号: O347.3
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出版历程
- 收稿日期: 2020-05-06
- 修回日期: 2020-06-26
- 网络出版日期: 2021-03-05
- 刊出日期: 2021-04-14

Effects of grain size on the spall behaviors of high-purity aluminum plates

1.
Key Laboratory of Impact and Safety Engineering, Ministry of Education, Ningbo University, Ningbo 315211, Zhejiang, China
2.
National Key Laboratory of Shock Wave and Detonation Physics, Institute of Fluid Physics, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621999, Sichuan, China

摘要

摘要: 采用不同热处理工艺制备了3种晶粒尺寸（60、100、500 μm）的高纯铝板材，利用平板撞击实验研究了其层裂行为。通过改变飞片击靶速度，在靶板中实现初始层裂状态和完全层裂状态。基于自由面速度时程曲线和微损伤演化及断口显微形貌分析，讨论了晶粒尺寸对高纯铝板材层裂特性的影响规律。实验结果显示：（1）晶粒尺寸对高纯铝板材层裂特性的影响强烈依赖于冲击加载应力幅值，在低应力条件下，层裂强度与晶粒尺寸之间表现出反Hall-Petch关系，而在高应力条件下，晶粒尺寸对层裂强度几乎没有影响；（2）随着晶粒尺寸的增大，靶板损伤区微孔洞的尺寸和分布范围均增大，但数量显著减少，在微孔洞周围还发现比较严重的晶粒细化现象；（3）随着晶粒尺寸的增大，层裂微观机制从韧性沿晶断裂向准脆性沿晶断裂转变，且在断口上观察到少量随机分布的小圆球，归因于微孔洞长大和聚集过程中严重塑性变形引起的热效应。
- 晶粒尺寸 /
- 层裂强度 /
- 损伤演化 /
- 高纯铝板材
Abstract: High-purity (HP) aluminum plates were cold rolled and heat treated to produce recrystallized samples with average grain sizes of 60, 100 and 500 μm, respectively. The effects of grain size on the spall response of HP aluminum plates were investigated by plate impact experiments including real-time measurements of the free surface velocity profiles by a compact all-fiber displacement interferometer system for any reflector, and post-impact fractography of soft-recovered samples by optical microscopy and scanning electron microscopy. The effect of grain size on the spall strength depends on the amplitude of peak stress. At lower peak stress loading, the dependence of the spall strength on the grain size is an inverse Hall-Petch relationship, but at higher peak stress loading, the spall strength is nearly constant with little effect of grain size. With the increase of grain size, the distribution range and size of micro-voids in the damaged sample increase, but the number of micro-voids decreases, and the grain refinement caused by the shock compression process is observed. On the other hand, with the increase of grain size, the mechanism of spallation changes from ductile intergranular fracture to quasi-brittle intergranular fracture. Some randomly distributed small metal balls are observed on the fracture surface, which is attributed to the thermal effect due to the serious plastic deformation during the growth and coalescence of micro-voids.
- grain size /
- spall strength /
- damage evolution /
- high-purity aluminum plate

HTML全文

1.   加州大学研究人员在螳螂虾指节中发现一种高刚度大阻尼抗冲击涂层

自然界利用现有资源，在有限的环境条件下组建了轻质、坚固、坚韧的材料。例如，螳螂虾指关节的迎撞面就是这类典型的复合材料，此类虾具有在摄食过程中避免高速碰撞造成巨大伤害的能力。美国加州大学研究人员发现螳螂虾的指节包含一层由纳米颗粒紧密堆积的抗冲击涂层，这些纳米颗粒由排列整齐的小纳米晶体组成。在高应变率冲击下（约10⁴ s⁻¹），粒子旋转和平移，而纳米晶网络在低角度晶界处发生断裂，形成位错并发生非晶化。此外，这种材料在保持高刚度（弹性模量约为58.9 GPa）的情况下还具有较大的阻尼（损耗系数约为0.02），相互渗透的有机网状结构提供了额外的增韧和阻尼，这种罕见的刚度和阻尼组合在工程材料中并不常见，其性能也优于许多工程材料。这些新发现可为结构的高速冲击和破坏失效提供新的研究思路。

源自：HUANG W, MEHDI S, NICOLAS G Z, et al. A natural impact-resistant bicontinuous composite nanoparticle coating [J]. Nature Materials, 2020, 19: 1236−1243.

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2.   迈阿密大学等研究人员首次定量描述了铜箔材料在高应变率下的失效过程

理解高速碰撞以及随后的高应变率材料变形和潜在的灾难性破坏，对于包括天体物理学、材料科学和航空航天工程在内的系列科学和工程学科至关重要。由于在极短时间尺度下，用实验来量化材料的演变面临着巨大挑战，相关变形和破坏机制还很不明确。美国迈阿密大学等研究人员将铜箔通过皮秒激光烧蚀实现快速变形（0.5×10⁹ s⁻¹），并利用30-fs超快X射线自由电子(XFEL)脉冲进行原位探测，首次定量描述了材料在高应变率条件下的失效过程。结果发现最终破坏是通过空洞成核、增长和聚合发生的，与分子动力学模拟的结果吻合较好。发展和应用具有飞秒分辨率的原位超快小角度X射线散射（SAXS）对高应变率层裂破坏进行定量表征，是对广角X射线散射（WAXS）的补充，具有重要的应用价值。

源自：JAMES C, ANDREW H, DAVID M, et al. Femtosecond quantification of void evolution during rapid material failure [J]. Science Advances, 2020, 6(51): eabb4434.

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3.   韩国浦项科技大学等研究人员发现了高熵合金纳米材料在应变率5×10⁻² s⁻¹下的超塑性

超塑性描述的是材料以拉伸延伸的形式将大塑性变形维持到其原始长度400%以上的能力，但通常只能在低应变率（约10⁻⁴ s⁻¹）下观察到，这使得加工时间大大增加，由于经济原因导致不适合大规模生产。而超过10⁻² s⁻¹应变率下的超塑性，通常只能在低强度的镁和铝合金中才能出现。韩国浦项科技大学等研究人员通过高压扭转试验，发现了Al₉(CoCrFeMnNi)₉₁高熵合金纳米材料在应变率5×10⁻² s⁻¹下的超塑性，其伸长率达到了原始长度的2000%。多相合金中的高压扭转诱导晶粒细化与热塑性变形过程中的有限晶粒增长相结合，通过位错活动调节晶界滑移，实现了高应变率下的超塑性。

源自：NGUYEN N T C, ASGHARI-RAD P, SATHIYAMOORTHI P, et al. Ultrahigh high-strain-rate superplasticity in a nanostructured high-entropy alloy [J]. Nature Communications, 2020, 11: 2736.

4.   佛罗里达大学等研究人员开发了一种用于描述含能材料激波-爆炸转换的多尺度方法

佛罗里达大学、佛罗里达理工学院以及洛斯阿拉莫斯国家实验室等科学家合作开发了一种耦合微观尺度空洞坍塌动力学到介观尺度模拟中的多尺度方法，可以描述微观结构在起爆中发挥的重要作用。第一步，作者进行空隙塌陷模拟，并收集点火时间和总输出功率与冲击压力和空隙直径的关系；第二步，通过将功率沉积项添加到能量方程，将第一步的信息反馈给介观尺度模拟。该研究通过使用单独的反应物和产物状态方程，并在反应区中定义了混合规则，可以获得与实验数据更好的一致性。由于没有HMX单晶数据，因此用PBX9501替代（即含95%HMX），优势是PBX9501数据比较全面。另一个改进是介观尺度上的动力学建模。作者采用了基于压力的幂定律，针对实验的Pop-plot数据和CJ点附近爆轰曲线斜率进行了校准。以前的校准过程是在连续范围内进行的，没有考虑微观结构的细节；该论文是研究空洞塌陷而引起的起爆，因此包括了微观结构的细节。

源自：THOMAS J L, ZHANG J, SHORT M. Multiscale approach to shock to detonation transition in energetic materials [J]. Propellants, Explosives, Pyrotechnics, 2020, 45: 316−329.

5.   中物院化工材料研究所等研究人员制备出具有类石墨烯结构的稠环单质炸药

中物院化工材料研究所与美国爱达荷大学研究人员近期利用分子间氢键和偶极-偶极协同相互作用，联合研究制备出一种新的含能材料NAPTO。该物质不仅含有稠环母体结构，还具有超平的二维层状堆积结构，分子中所有原子处于同一平面内，二面角均为0°或180°。其平面性优于常见的二维层状单质炸药如TATB、FOX-7等，成为首个具有类石墨烯结构的稠环单质炸药，且层间距仅为2.855×10⁻¹⁰ m。该新型化合物能量高（爆速为9.12 km/s，爆压为35.1 GPa）、外部刺激敏感度优异（撞击感度为18 J，摩擦感度为325 N，静电放电感度为0.32 J）、热分解温度高（203.2 ℃），因此具有高能量和低机械感度双重优点。

源自：FENG Y A, DENG M C, SONG S W，et al. Construction of an unusual two-dimensional layered structure for fused-ring energetic materials with high energy and good stability [J]. Engineering, 2020, 6(9): 1006−1012.

（敬霖　编译）

图 1 板材轧制方向指示和层裂靶板取样示意图

Figure 1. Schematic showing the three principal orthogonal directions ofrolled plate and sample preparation

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图 2 不同热处理工艺得到的高纯铝微结构EBSD表征照片

Figure 2. Microstructures of high-purity (HP) aluminum by EBSD at different heat-treatment temperatures

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图 3 300 ℃条件下高纯铝微结构EBSD表征的三维照片

Figure 3. 3D microstructure of HP aluminum by EBSD at the heat-treatment temperature of 300 °C

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图 4 层裂实验装置示意图

Figure 4. Schematic diagram of spall experiments

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图 5 软回收靶板照片

Figure 5. Images of soft recovery HP aluminum samples

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图 6 不同撞击速度下3种晶粒尺寸的高纯铝靶板实测自由面速度曲线

Figure 6. Free-surface velocity profiles of HP aluminum with different grain sizes at different impact velocities

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图 7 不同冲击应力条件下高纯铝层裂强度随晶粒尺寸的变化关系

Figure 7. Relationship between spallation strength and grain size of HP aluminum under different impact stress conditions

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图 8 不同晶粒尺寸高纯铝板材的准静态应力应变曲线

Figure 8. Stress strain curves of HP aluminum with different grain sizes

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图 9 软回收不同晶粒尺寸靶板中微孔洞分布光学照片

Figure 9. Micro-void distribution in the HP aluminum plate samples with different grain sizes

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图 10 不同晶粒尺寸靶板中微孔洞尺寸统计结果

Figure 10. Statistical distribution of micro-void size in the HP aluminum plate samples with different grain sizes

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图 11 不同晶粒尺寸高纯铝损伤后靶板微观结构的EBSD表征照片

Figure 11. EBSD characterization of HP aluminum samples with different grain sizes after damage

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图 12 纯冲击压缩后不同初始晶粒尺寸的高纯铝靶板微观结构EBSD表征照片

Figure 12. EBSD characterization of HP aluminum sampleswith different grain sizes under shock compression

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图 13 高纯铝靶板原始的和冲击压缩后的晶粒尺寸分布

Figure 13. Grain size distribution of original and shocked high-purity aluminum plate.

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图 14 不同晶粒尺寸靶板的断口SEM表征照片

Figure 14. SEM micrographs of fracture surface of HP aluminum with different grain sizes

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表 1 高纯铝板材层裂实验条件和结果

Table 1. Conditions and results of spall experiment for high-purity aluminum plate

No.	D/μm	v/(m·s⁻¹)	$\sigma_{\rm{p}}$ /GPa	Δu/(m·s⁻¹)	$\sigma_{\rm{s}}$ /GPa	${\dot{u} }_{ {\rm{f} }1}$ /(m·s⁻²)	$\dot{\varepsilon }$ /s⁻¹	${\dot{u} }_{ {\rm{f} }2}$ /(m·s⁻²)
1	60	142	1.05	56.8	0.41	1.05×10⁸	0.98×10⁴	2.70×10⁷
2	100	139	1.03	58.8	0.42	1.23×10⁸	1.14×10⁴	4.16×10⁷
3	500	140	1.04	78.9	0.57	1.30×10⁸	1.21×10⁴	7.35×10⁷
4	60	250	1.87	85.1	0.62	2.68×10⁸	2.49×10⁴	2.80×10⁷
5	100	246	1.84	86.9	0.63	2.61×10⁸	2.43×10⁴	5.16×10⁷
6	500	252	1.89	86.1	0.62	2.58×10⁸	2.40×10⁴	7.92×10⁷

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