飛片沖擊加載下Fe50Mn30Co10Cr10合金的動態損傷研究①

王海民， 楊 揚，2

（1.中南大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙410083； 2.中南大學 有色金屬材料科學與工程教育部重點實驗室，湖南 長沙410083）

層裂是一種高速加載碰撞下的動態斷裂過程［1］。Fe50Mn30Co10Cr10高熵合金是一種同時具備強度與較高塑性的新型合金，其獨特的合金制備原理令其具著許多優異的性能［2-5］，并有望在切削或防碰撞領域應用，因此研究其動態加載下的損傷行為具有重要意義。 目前關于高熵合金的性能和損傷斷裂研究主要集中在靜態加載方面［6-9］，對動態加載下層裂損傷演變機制還缺乏系統而深入的研究。 本文以Fe50Mn30Co10Cr10高熵合金為對象，研究其動態加載過程中孔洞形核以及裂紋擴展機制。

1 實 驗

本文選用初始熔鑄態Fe50Mn30Co10Cr10高熵合金（下標為原子分數，%）為實驗材料。 初始組織為柱狀晶組織，基體為γ（fcc）相，并存在少量ε（hcp）相。 采用如下熱處理工藝得到2 種不同組織狀態的試樣：①合金在900 ℃下保溫2 h，隨后快速熱軋，變形量為50%，共5 道次，每道次10%，軋制后空冷至室溫。 為防止氧化，將熱軋樣品空冷后，置于氬氣保護爐中退火2 h，溫度為1 000 ℃，隨后水淬，得到1 號樣品。 ②在1 號樣品的基礎上冷軋，壓下量40%，隨后在空氣爐中900 ℃保溫7 min，再進行水淬，得到2 號樣品。 即1 號樣品為熱軋＋退火試樣，2 號樣品為熱軋＋退火＋冷軋＋退火試樣。

沖擊加載實驗采用一級輕汽炮，口徑為57 mm。為了使2 種不同熱處理工藝的樣品獲得同樣程度的沖擊，實驗以一撞二的形式進行沖擊加載，即一個飛片經發射后同時擊打到兩個樣品上。 一級輕氣炮實驗中所用的飛片尺寸為Φ55 mm × 2 mm，樣品尺寸為Φ20 mm ×4 mm，試樣用塑料墊及玻璃膠固定于靶板的開孔中，圖1 為靶板示意圖。 設定加載速度為180 m／s。 為避免回收樣品受到二次損傷，采用軟回收方式回收樣品。并通過安裝在試樣自由面的DPS 探頭獲得試樣自由面速度曲線。

圖1 靶板示意圖

為了觀察加載前后組織的形貌和層裂損傷的分布情況，對沖擊前后的試樣進行金相觀察。 Fe50Mn30Co10Cr10高熵合金是一種硬度高、耐腐蝕性高的合金，有一定制樣難度。 首先將試樣進行拋光處理，試樣鑲樣后粗磨至2 000 目水磨砂紙，再用1 000 目金相砂紙粗拋光，隨后用W3.5、W2.5 的研磨膏依次進行拋光處理，得到光潔的表面。 腐蝕時，將王水（HCl ∶HNO3＝3 ∶1）水浴加熱至50 ℃后進行預腐蝕，時長為50 ～70 s，再用HCl ∶HNO3∶H2O＝6 ∶4 ∶1的混合溶液進行緩慢腐蝕，即得到清晰易觀察的微觀組織。 金相試樣觀察面為沿直徑方向切割得到的平面，并按照標準制樣方式制取試樣。

沖擊條件下損傷的產生與晶界有一定關聯，為探究晶界影響，采用背散射電子衍射（EBSD）觀察沖擊加載后試樣的晶界類型及分布特征。 EBSD 試樣的制備按金相觀察試樣研磨拋光后再進行電解拋光，電解液為高氯酸∶無水乙醇＝9 ∶1，電壓為20 V，拋光時間為15 s。 本實驗采用附有EBSD 附件的電子雙束顯微電鏡進行觀測，型號為HELIOS NanoLab 600i，所用電壓為20 kV，步長為2.0 μm。

2 實驗結果及討論

2.1 沖擊前試樣金相觀察

沖擊前試樣金相組織形貌見圖2。 1 號試樣退火完全，呈灰色針狀聚集的區域為馬氏體，其余為基體，馬氏體區域和晶粒尺寸較大；2 號試樣退火后晶粒細小，馬氏體區域也較為細小。 馬氏體的產生主要源于軋制時的塑形變形和淬火過程，其大小受基體晶粒、相組織大小的限制，2 號試樣晶粒在冷軋退火后發生再結晶細化，其馬氏體尺寸也因此減小。

圖2 試樣金相組織形貌

2.2 自由面速度曲線分析

飛片撞擊速度180 m／s 條件下用多普勒測速系統（DPS）測得的試樣自由面速度（FSV）曲線如圖3 所示。

圖3 自由面速度時間曲線圖

試樣受到的沖擊壓力可由下式計算［10］：

式中σp為沖擊壓力，GPa；ρ0為合金密度，g／cm3；s為由材料特性決定的Gruneisen 狀態方程參數（常數）；c0為體積聲速，m／s；u為波后粒子速度，m／s，其大小為沖擊速度的一半，取90 m／s。 根據合金和混合物的狀態方程計算方法［11］，合金的狀態方程參數c0、ρ0、s可以由公式（2）給出［11］：

式中mi為合金各成分的質量百分比，%；cbi、ρ0i、s0i分別為各對應成分的體積聲速、密度和Gruneisen 系數，從而ρ0＝7.76 g／cm3，c0＝4.311 km／s，Fe、Cr 的s系數分別為1.92、1.47［11］，Co、Mn 的s系數可由經驗方程（3）得到［11］：

式中γ為經驗常數；V0為比容，cm3／g，即1／ρ；Cv為比熱容，J／（kg·K）；α為材料熱膨脹系數，10-6K-1，公式（3）中選用線系數時需用3α計算；K為體積模量，GPa，其數值如表1 所示［12］。

表1 Mn、Co 材料基本物理參數值

由以上公式計算可得：γMn＝2.31，γCo＝1.87，sMn＝1.65，sCo＝1.45。 則s＝1.75，根據式（1）得到兩個樣品所受到的沖擊壓力為3.22 GPa。

層裂強度是動態損傷應力的一種度量，關于層裂強度可由以下公式計算［13-14］：

式中σf為層裂強度，GPa；Δu（Δu＝umax-umin）為自由面速度回彈的幅值，m／s；u1為初始損傷速率值，mm2／μs，表示層裂初始階段過程中孔洞成核以及孔洞早期增長的速率，它們用以判斷是否發生層裂以及預估層裂強度。 表2 是相關計算結果。

表2 自由面速度曲線相關參數計算結果

由表2 可知，2 號試樣的層裂強度較小，自由面速度曲線回幅值Δu也表明其成核強度更低［14］，同時初始損傷速率u1也要大于1 號試樣。 這是因為2 號試樣的晶粒較為細小，晶界數量多，孔洞形核的優先位置也較多，所以在同一加載條件下，2 號試樣易于1 號試樣發生初期層裂損傷。

2.3 層裂損傷的金相與EBSD 分析

為了觀察樣品沖擊后內部層裂損傷情況，判斷孔洞的形核位置以及裂紋的擴展規律，對沖擊后試樣進行金相觀察，結果如圖4 所示。

圖中分別用紅、藍、綠色箭頭標注了孔洞、微裂紋與馬氏體區域。 由圖4（a）可以看出，孔洞的形核位置都在基體中而非馬氏體與基體的相界面上，這與靜態加載下孔洞的形核規律不同，在1 號試樣中，孔洞在基體中形核，隨后在基體內部長大延伸，最終形成穿晶裂紋。

由圖4（b）～（c）可見，微裂紋在基體中形成并沿著內部擴展，當其擴展至馬氏體區域邊界時，裂紋停止延伸，損傷行為受到抑制。

通常在層裂過程中，沖擊方向的垂直方向上由沖擊波與反射波作用形成的拉伸應力達到最大，裂紋擴展方向與沖擊方向越近于垂直，越有利于裂紋快速擴展。 因此圖4（a）中孔洞貫通的優先方向應是沿著4個圓圈中孔洞的連線方向，此方向與沖擊方向近于垂直，但1 號試樣中實際微裂紋的貫通與擴展方向與沖擊方向近呈45°，“避開”馬氏體區域。 這2 種情況表明，馬氏體區域的存在影響著裂紋的擴展，一方面是因為片層狀馬氏體區域屬于高阻抗區，而沖擊波作用產生的應力主要作用在低阻抗的基體區域，另一方面，馬氏體相的強度和硬度都高于基體區，因此在此沖擊速度下產生的拉伸應力無法令裂紋進入馬氏體。

除馬氏體外，合金中的形變孿晶界對層裂損傷行為也存在一定影響，采用背散射電子衍射對沖擊后試樣進行了分析，結果如圖5 所示。

圖5 沖擊后試樣EBSD 晶界分布

沖擊方向為豎直方向，圖中箭頭所示為孔洞，淺色線條為∑3 晶界，即孿晶界，深色線條為普通晶界。 由圖5 可知，2 號試樣的晶界密度遠超1 號試樣，在∑3晶界的稀疏區存在著單獨的孔洞，這表明孔洞在普通晶界上形核而不是在孿晶界。 分析圖5（a）得出：孔洞①在普通晶界上形核后將沿著晶界長大、貫通，并受到孿晶界的限制，如孔洞③所示，孔洞聚集后的延伸需經基體“繞過”孿晶界。 這是因為孿晶界是大角度晶界，位錯越過這些晶界需要極大的驅動力和一定的擴散時間，而孔洞形核時的驅動力是沖擊波作用下的拉伸應力，這種應力的持續時間僅為幾微秒，因此，孔洞優先在基體中擴展而不是越過孿晶界，而緊臨著多個孿晶界或在其內部孔洞的長大將受到抑制，如孔洞②所示。但孿晶對孔洞形核、長大與貫通的阻礙效果低于馬氏體相，根據圖5（b），當晶粒細化到一定程度時，孿晶界的阻礙效果將急劇降低，此時孔洞長大和裂紋延伸行為受晶界的密度影響較大：一方面，晶界密度越大，晶粒間晶界的長度就越小，這有利于缺陷在短時間內越過晶界；另一方面，沖擊波作用形成的拉伸應力作用時間雖短，但其大小大于合金的斷裂強度，這使得孔洞形核的初始半徑較大，對于細晶粒來說，一個孔洞的形成往往已經占據了一個或多個晶粒，有利于后續的位錯滑移開動，這也是2 號試樣初始損傷度較大的原因。

3 結 論

使用Fe50Mn30Co10Cr10高熵合金為實驗材料，通過一級輕氣炮加載得到層裂樣品，利用自由面速度曲線、金相顯微鏡、EBSD 等技術對材料進行了表征，分析了動態加載條件下Fe50Mn30Co10Cr10高熵合金中的馬氏體和孿晶界對層裂行為的影響，得到如下結論：

1） 動態加載條件下，孔洞的形核位置并非在基體與馬氏體的界面處，而是在基體上形核并沿著基體內部長大、貫通直至形成裂紋。

2） 當裂紋延伸至馬氏體區域邊界時將受到抑制，且馬氏體區域越大阻礙效果越明顯。 對比2 號試樣，1 號試樣中裂紋擴展的優先方向為基體相內部，裂紋擴展方向與沖擊方向呈45°。

3） EBSD 測試分析結果表明，孔洞的形成主要在晶界上并沿著晶界長大、貫通，與靜態加載條件不同，孔洞沒有沿著大角度的孿晶界發生長大，這與動態加載應力的持續時間較短有關。

4） 同一加載條件下，2 號試樣的層裂強度要低于1 號試樣。 2 號試樣晶粒被細化，存在著較多的晶界，給孔洞形核提供了有利位置。 高密度的晶界使得單一晶界變短變細，孔洞在形核時已經占據一個或多個晶粒，有利于隨后的長大和貫通。 自由面粒子速度曲線分析表明，2 號試樣的初始損傷速率大于1 號試樣，孔洞的成核強度低于1 號試樣，在沖擊過程中易于發生層裂行為。