冶金因素影响绝热剪切带形成的金相观察

叶慧丽

（江苏省产品质量监督检验研究院，江苏 南京 210007）

冶金因素影响绝热剪切带形成的金相观察

叶慧丽

（江苏省产品质量监督检验研究院，江苏 南京 210007）

摘 要：本文分析了同等爆炸复合条件下多种状态金属所出现的绝热剪切带（ASB），对其显微组织观察结果、硬度判断进行简单分析，并探讨了不同生成环境下，晶体结构对ASB形成的影响。最后分析结果发现，晶体构成情况、预冷变形程度、产品结构等因素是影响ASB的重要因素。

关键词：冶金因素；绝热剪切带；金相观察

一、实验检测方法

本文选取5种材料作为复板，复板的基本资料见表1。并在相同条件下，与低碳钢板实现平板爆炸复合，其基本资料如图1所示。在复合板上，同等部位沿射流方向收取设备样品，并采用光学显微镜实现金相观察，最后测量ASB与样品显微硬度。

二、实验结果与讨论

1 ASB金相组织分析

分析同种工况下TA2/TA3爆炸复合界面金相组织结果，经相关数据处理发现，经过冲击后，复合板之间形成具有波纹特点的多频次界面，满足爆炸复合基本组织的常规特征，与权威报道一致。

在实验中发现，界面钛侧产生ASB，该ASB的特点为：（1）ASB逐渐变粗，且在阶段终端达到最大值，最大值宽度约为最小值的（2.3±0.15）倍；（2）ASB与界面形成夹角，夹角大小为（45±0.32）°，并向基体方向延伸，并在基体中消失；（3）ASB晶粒小，皆属于动态再结晶组织。

从多种金相组织的实验结果来看，可发现不同情况下的ASB数量存在明显差异（如图2所示）。本文选取两例金相组织，将其设为组织1、组织2，其中组织1的ASB数量多，且长度更长、宽度更宽。经计算发现，组织1的预冷变形量约为15.8%，明显大于组织2的7%。该结果说明，对于同种材料而言，变量越大则材料储能越大，能进一步降低再结晶温度，积极促进动态再结晶行为的发生。

通过对Ta9研究发展，此种材料金相数量小于组织2，且长度更短，在未经过预冷变形处理之前，材料内部所储存的能量更少（如图3所示）；在对材料N6进行金相观察时，发N6侧面界面发生剧烈变形，进而生成一系列的相位组织，未发现ASB。本文认为，该金属可能在碰撞点附近因高速倾斜碰撞而受到较大的压力，绝热剪切作用是导致未出现ASB的主要原因。

2 数据计算公式

在综合考虑热交换、爆炸瞬间温度变化等因素的前提下，本文结合能量守恒定律，对该区域热能变化情况进行统计，其计算公式为：

在上述公式中，Cr代表热容比；p代表材料未接受爆炸前温度；T代表标准下爆炸温度；k代表热传导系数，t代表时间。以N6/A3为例，其热传导系数k值等于0.942J/cm×K×s，τ等于0.1512×J/ cm×K×s。由此可见，当热传导系数越大时，由热传导系数而引起的热能损失率的数值也进一步增大，两者呈正比例关系，由碰撞聚集能量而转化成热能难以保证温度升高，最终不会发生绝热剪切现象。同时，多数资料指出，绝热剪切可能属于一种位错运动，与其孪生变形条件下的高应变速率无法产生协调关系，最终转化为材料失稳的一种形式。在本次研究中，N6属fcc结构，其滑移系为12个，而TA2、TA9属hcp结构，滑移系仅为3个。因此，若从晶体结构来看，N6出现绝热剪切的概率也会明显小于TA2、TA9。

表1 物种复板材料基本数据统计

3 加载资料分析

本文统计TC4/A3复合界面金属的金相图像，具体资料如图4所示。从不同材料的图像来看，TC4/A3复合界面金属的金相图像明显区别与TA2、TA9的ASB形态。同时，TC4图像中的ASB出现明显的分叉现象，从形状上来看，该分叉为一条粗壮的强切带分叉，并分为两条相对较细的ASB。由表1可知，TC4属于α+β的两相组织，两相热容比、热传导系数等不同，导致其导热能力出现差异。因此，分叉现象可以判断为热变形条件下，材料出现动态再结晶的结果。从α+β两相组织的导热能力来看，由于导热能力不同，导致同一金属不同位置的ASB发生变化，最终形成分叉剪切带，该理论与Wittman的相关结果是相符的。早在20世纪90年代，Wittman提出ASB形核机制，认为ASB形核于塑性变形加强区域，α相与β相的变形能力明显不同，导致ASB分叉。

图2 实验环境下不同金相组织的表现形式

图3 TA9冲击加载之后的金相组织（★100）

图4 TC4冲击加载后金相组织图像

4 显微硬度分析

为更加准确的观察不同材料的ASB硬度值与内部机体情况，要进行显微硬度分析，通过建立具有数据表达能力的图表，清晰显示不同材料的ASB与Base metal情况。

经统计发现，上述几种材料的ASB值均略高于钛基体硬度值，同时经研究发现，TC4硬度值高于TA2、TA9硬度值（如图5所示），从金相图像观察结果来看，TC4属于α+β两相合金，而TA2、TA9属于α单相合金，在标准情况下，TC4的主要成分表达方式为Ti-6AL-4V，V元素、β元素是TC4的主要组成部分。从分子角度来看，TC4原子类似与钛，因此其在钛中的溶解度高于其他金属，有利于进一步提高钛合金强度。因此，TC4合金硬度与ASB优于TA2、TA9。

结语

本文通过进行实验，本文最终得出以下几点结论：

（1）受检材料的相组成情况、预冷变形程度、材料热学特点、材料力学特点、晶体结构等是影响ASB的重要因素，相关工作人员若想获得更加准确的金相观察结果，就必须要在综合考虑以上几方面要素的基础上，全方位分析材料的基本特点，才能保证金相观察结果的科学性、有效性；

（2）ASB数量受到材料预冷变形情况的影响，ASB与预冷变形量呈正比例管理，预冷变形量越大，ASB越宽、越粗；

（3）ASB硬度值普遍高于基体

综上所述，冶金因素影响绝热剪切带形成的金相观察受到多种因素的影响，相关工作人员在工作过程中，可由材料的基本性质入手，在充分结合预冷变形条件、环境热变化的基础上，多方面考虑多种因素，才能进一步提高分析的准确性。

图5 三种金属显微硬度柱状统计图

参考文献

[1]杨扬，程信林，李正华，等.冶金因素影响绝热剪切带形成的金相观察[J].稀有金属材料与工程， 2003， 32（04）：261-263.

中图分类号：TG506

文献标识码：A