氦泡鋁的層裂特性實驗研究

李英華，常敬臻，張 林，宋 萍

（1. 中國工程物理研究院流體物理研究所，四川 綿陽 621999；2. 中國久遠(yuǎn)高新裝備公司，四川 綿陽 621999）

輻照環(huán)境下材料內(nèi)部會形成氦泡和微孔洞，從而對材料的力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響，該問題是核能領(lǐng)域和其他軍民兩用領(lǐng)域關(guān)注的重要科學(xué)問題[1-3]。為滿足實驗室研究需要，國際上通常在金屬材料中摻入硼元素，通過高能中子轟擊，使中子與硼元素發(fā)生核嬗變反應(yīng)生成氦（10B+n-→7Li+10He）[1]，再經(jīng)過一定的工藝熱處理調(diào)整氦泡大小，實現(xiàn)含氦泡材料制備。鋁（Al）及其合金具有中子輻照活化低、經(jīng)濟(jì)適用性好等優(yōu)點，近年來許多學(xué)者利用輻照摻硼鋁開展研究，以探討氦泡成核、長大以及最終導(dǎo)致的材料斷裂性能變化[4-8]。然而，當(dāng)前的研究以靜態(tài)實驗和理論計算居多，動態(tài)數(shù)據(jù)相對較少[9-11]。Glam 等[9-10]比較了摻硼鋁（10B 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%）與輻照摻硼鋁（含氦泡）在不同初始溫度下的沖擊實驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)常態(tài)下硼的摻雜使純鋁的層裂強度降低了20%，輻照引入的氦泡沒有造成材料動態(tài)斷裂性能的進(jìn)一步降低，不過升溫到600 ℃時，含氦泡鋁的層裂強度相比摻硼鋁顯著降低，氦泡效應(yīng)突顯。Xiao 等[11]研究了摻硼鋁（10B 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%）和含氦泡鋁在激光加載高拉伸應(yīng)變率作用下的層裂特性，發(fā)現(xiàn)材料的層裂強度具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，但是氦泡的影響依舊不突出。最近，分子動力學(xué)計算又有新的發(fā)現(xiàn)[12]，計算顯示，氦泡使固體鋁單晶的層裂強度顯著降低，而熔化狀態(tài)下氦泡的影響幾乎可以忽略。氦泡對常態(tài)下鋁基體的動態(tài)屈服和層裂性能究竟有無影響，影響程度多大，其他雜質(zhì)與氦泡的效應(yīng)能否明確區(qū)分，這些問題對于進(jìn)一步認(rèn)識輻照損傷材料的動態(tài)斷裂行為具有重要價值，而現(xiàn)有的研究數(shù)據(jù)顯然偏少。

本研究利用火炮技術(shù)對純鋁、摻硼鋁以及不同氦濃度的含氦泡鋁材料開展層裂測量實驗，結(jié)合自由面速度剖面獲得材料的Hugoniot 彈性極限、層裂強度等數(shù)據(jù)，進(jìn)而探討硼雜質(zhì)和氦泡對鋁基體動態(tài)斷裂性能的影響。

1 平板沖擊層裂實驗

沖擊實驗采用的樣品包括高純鋁、摻硼鋁和兩種氦濃度的含氦泡鋁。氦泡鋁的制備過程：先按一定的質(zhì)量百分比稱取高純鋁錠（純度99.999%）和硼粉，經(jīng)電弧熔煉鍛造制備出摻硼鋁（10B 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.07%）棒材，車削棒料獲得所需尺寸的樣品圓片，將圓片放入反應(yīng)堆進(jìn)行中子輻照反應(yīng)，出堆后再經(jīng)1 h 的高溫退火處理，得到氦濃度為3 × 1019cm-3的氦泡鋁樣品，氦泡的平均尺寸為1～2 nm。采用相似工藝，對硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%的摻硼鋁進(jìn)行中子輻照，得到另一種濃度的氦泡鋁樣品，氦濃度約為6 × 1019cm-3，提高了近一倍，氦泡的平均尺寸不變。為便于區(qū)別，設(shè)濃度為3 × 1019cm-3和6 × 1019cm-3的氦泡鋁分別為氦泡鋁Ⅰ（Al with He bubbles Ⅰ）和氦泡鋁Ⅱ（Al with He bubbles Ⅱ）。

平板沖擊層裂實驗的基本過程：薄飛片高速撞擊厚樣品產(chǎn)生沖擊波并分別在飛片和樣品內(nèi)傳播，沖擊波到達(dá)自由面后反射形成兩束卸載波，兩束卸載波相向傳播并在樣品某一區(qū)域相遇形成拉伸作用，當(dāng)拉伸脈沖幅度足夠大時，材料斷裂，層裂發(fā)生。對于上述過程，樣品自由面速度會呈現(xiàn)如圖1 所示的特征剖面，即沖擊波到達(dá)樣品自由面后引起自由面速度突然增加，達(dá)到速度峰值umax，從飛片中傳入的稀疏波與自由面反射的稀疏波相互作用后到達(dá)樣品自由面時，樣品自由面速度開始下降，樣品中稀疏波相遇的區(qū)域處于拉伸應(yīng)力狀態(tài)，拉斷后樣品中產(chǎn)生層裂面，后續(xù)反射稀疏波到達(dá)層裂面后，立即反射壓縮波使自由面速度由umin回跳。

圖1 平板沖擊實驗原理圖(a)及典型的樣品自由面速度剖面(b)Fig. 1 Schematic of plane shock experiment (a) and the typical free surface velocity of the sample (b)

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 實驗參數(shù)與測量結(jié)果

表2 密度和聲速Table 2 Density and sound velocity

2.2 摻硼和氦泡對鋁材料斷裂特性的影響

圖2 顯示了純鋁、摻硼鋁（10B 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.07%）和氦泡鋁Ⅰ3 種鋁材料的樣品自由面速度剖面。觀察Shot 1 的實驗剖面，結(jié)合表1 數(shù)據(jù)可以得到，純鋁的層裂強度為1.28 GPa，與文獻(xiàn)[18]報道的同等應(yīng)變率（105s-1）范圍內(nèi)多晶鋁的層裂強度相當(dāng)。與純鋁相比，氦泡鋁從速度峰值卸載到純鋁速度的1/2 位置，即受到來自層裂面的壓縮波作用時，粒子速度產(chǎn)生回跳，層裂強度明顯降低，僅約0.6 GPa，降低幅度接近50%。不過，彈塑性屈服和動態(tài)壓縮性能變化極小，彈性極限與純鋁相當(dāng)，都保持在0.130 GPa，自由面速度峰值與純鋁實驗也非常一致，可近似認(rèn)為氦泡等摻雜對鋁基體的沖擊壓縮性能沒有影響，這一認(rèn)識也與文獻(xiàn)[9-10]相符合。

表1 實驗數(shù)據(jù)Table 1 Experimental data

圖2 純鋁、摻硼鋁和氦泡鋁Ⅰ樣品的自由面速度剖面Fig. 2 Free surface velocities of pure Al, Al-10B and Al with helium bubbles Ⅰ

Shot 2 實驗測量了摻硼鋁的自由面速度，如圖2 所示。與氦泡鋁Ⅰ對照可以看到，除彈速變化帶來的加載幅度不同外，兩種樣品的速度剖面變化規(guī)律基本一致，僅在峰值速度卸載速率和振蕩信號上升速率方面，摻硼鋁的速度剖面略有放緩，依此剖面計算的拉伸應(yīng)變率和層裂強度也相應(yīng)地減小，材料的層裂強度隨應(yīng)變率的變化比較敏感。對于Hugoniot 彈性極限，摻硼鋁在輻照前、后（含氦泡）幾乎沒有差別。上述對比表明，硼的摻雜是造成鋁材料屈服與層裂性能改變的主要因素，而輻照產(chǎn)生的氦泡（氦濃度3 × 1019cm-3）對鋁的屈服及層裂性能沒有明顯影響。

Shot 3 實驗測量了氦泡鋁Ⅱ的自由面速度，如圖3 所示，為了便于對照，圖3 給出了氦泡鋁Ⅰ的自由面速度剖面。從圖3 中看到，兩種氦泡鋁的特征剖面十分相似，相比純鋁，都呈現(xiàn)出峰值速度卸載速率和振蕩信號上升速率明顯變緩的特征，振蕩衰減幅度也相當(dāng)一致。由該特征信號計算得到氦泡鋁Ⅱ的層裂強度和Hugoniot 彈性極限分別為0.69 GPa 和0.153 GPa，與氦泡鋁Ⅰ的層裂強度和彈性極限相當(dāng)。上述比較表明，當(dāng)氦的濃度提高一倍時，氦泡效應(yīng)仍然不突出，這也從另一個角度說明，摻硼對鋁基體的動態(tài)屈服和斷裂性能造成的影響更顯著。

圖3 兩種氦濃度的氦泡鋁（輻照摻硼鋁）樣品的自由面速度剖面Fig. 3 Free surface velocity profiles of two neutron irradiated Al-10B samples with different helium density

3 分析與討論

國內(nèi)外已有不少關(guān)于高純鋁、商業(yè)純鋁以及不同晶粒尺度的單晶鋁層裂強度隨應(yīng)變率變化的報道[9-11,18]，但是對摻硼鋁和含氦鋁的動態(tài)響應(yīng)實驗研究非常有限，本研究的測量結(jié)果豐富了中低應(yīng)變率下?lián)脚痄X和含氦鋁的層裂強度數(shù)據(jù)。圖4匯總了部分文獻(xiàn)和本實驗結(jié)果。可以看出：在對數(shù)坐標(biāo)系下高純鋁的層裂強度隨拉伸應(yīng)變率的增加而線性增加，在同等應(yīng)變率下，商業(yè)鋁的層裂強度更低；摻硼和氦泡都顯著降低了純鋁的層裂強度，在105s-1的中低應(yīng)變率下，本研究所用材料的層裂強度降低了50%。

圖4 幾種鋁的層裂強度Fig. 4 Spall strength of several kinds of aluminum material

從實驗結(jié)果看，本研究的摻硼和含氦鋁的層裂強度比Glam 等[10-11]的研究結(jié)果明顯偏低，本實驗采用的摻硼和含氦鋁比純鋁的層裂強度降低接近50%，而Glam 等的結(jié)果則降低25%～32%。可能的原因是鋁基體的晶粒度存在差異。Glam 等所用的高純鋁的平均晶粒尺寸為500～2 000 μm，測量的層裂強度為2.04 GPa；而本研究采用的高純鋁的平均晶粒尺寸約700 μm，晶粒尺寸越小，晶界面積越大，越有利于損傷成核，從而解釋了本實驗給出的純鋁層裂強度只有1.28 GPa 的原因，該測量數(shù)據(jù)與Chen 等[18]的實驗結(jié)果相當(dāng)。另一方面，不同的加工工藝也導(dǎo)致?lián)脚痄X的晶粒尺度存在差異，從而進(jìn)一步影響材料的抗拉性能。Glam 等的摻硼鋁晶粒尺寸為280～600 μm，本研究的摻硼鋁平均晶粒尺寸在40 μm 左右，其層裂強度也比Glam 等報道的結(jié)果降低了60%。此外，金相分析結(jié)合能譜鑒定顯示，鋁基體中存在明顯的Al-10B 針狀析出物和10B 顆粒，如圖5 所示，并且都顯著偏聚在晶界處，沿晶界方向不規(guī)則分布，在動態(tài)加載下容易造成局部應(yīng)力集中，材料不均勻性增強，致使抗拉性能降低。因此，雖然摻硼和氦泡使純鋁的抗拉性能顯著降低，但是不同研究中抗拉性能的降低程度有明顯差異，分析認(rèn)為，由制備工藝造成的包括晶粒尺寸在內(nèi)的微結(jié)構(gòu)不同是其中一個重要因素。

圖5 摻硼鋁（0.07% 10B）的金相照片F(xiàn)ig. 5 Optical micrograph of Al-10B (0.07% 10B)

此外，實驗顯示，提高氦的濃度后，氦泡鋁的動態(tài)屈服和層裂性能沒有變化。3 × 1019cm-3和6 ×1019cm-3兩種氦濃度的含氦鋁與摻硼鋁相比，彈塑性屈服和層裂引起的自由面速度改變幾乎相同（二者得到的Yhel及 σspall相當(dāng)），氦泡效應(yīng)并沒有隨氦濃度的提高凸顯出來，這一結(jié)論也與文獻(xiàn)[9]的觀點一致。

不難發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有的通過中子輻照摻硼金屬制備含氦泡材料的工藝下，實際上并不容易排除硼雜質(zhì)及析出物的影響而單獨考慮氦泡效應(yīng)，宏觀測量得到的無論是屈服特性還是抗拉性能都體現(xiàn)的是包含雜質(zhì)等缺陷在內(nèi)的綜合效應(yīng)。雖然有研究認(rèn)為，氦泡效應(yīng)會在高溫下凸顯，并根據(jù)600 ℃下含氦鋁的動態(tài)特性實驗分析，認(rèn)為氦泡使材料在高溫下的抗拉性能變差，層裂強度降低，但是從其測量剖面上看，降低幅度并不明顯。因此，若要更加明晰地甄別氦泡效應(yīng)，還需要通過更多有針對性的對比實驗并結(jié)合數(shù)值模擬開展進(jìn)一步探討與分析。

4 結(jié) 論

針對氦泡效應(yīng)，開展了高純鋁、摻硼鋁以及含氦鋁材料的平板沖擊實驗，測量了多類樣品的自由面速度剖面，據(jù)此計算了Hugiont 彈性極限、層裂強度和拉伸應(yīng)變率，結(jié)合金相圖像，對摻硼和氦泡造成的鋁基體動態(tài)性能改變進(jìn)行了初步分析，得到以下結(jié)論：

（1）10B 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.07%的摻硼鋁的層裂強度為0.55 GPa，相比純鋁的層裂強度顯著降低，降低幅度接近50%；

（2） 通過輻照引入氦泡以及進(jìn)一步提高氦濃度不會對鋁材料的彈塑性屈服和動態(tài)斷裂性能造成明顯的影響；

（3） 在現(xiàn)有的樣品制備工藝下，氦泡鋁中含有硼和鋁硼析出物，從實驗角度很難排除硼雜質(zhì)而單獨討論氦泡效應(yīng)對鋁的層裂強度降低的影響，二者不容易顯著區(qū)分。