富铜纳米相强化钢在高应变速率下的力学性能与组织演变研究

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富铜纳米相强化钢因其特有的合金设计与强化方式,在静态加载条件下具有良好的综合力学性能。而当材料经受高应变速率加载时,受力情况、变形机制与静态加载下大为不同,因此研究富铜纳米相强化钢在动态加载下的力学性能与组织演变对于评估其高速冲击性能及失效机制具有重要的指导意义。本文研究了基体相(种类、晶粒尺寸)与富铜纳米相对纳米相强化钢动态力学性能的影响规律,并对绝热剪切带的形貌及形成机制进行了表征与阐述。结果表明:淬火马氏体态富铜纳米相强化钢的屈服强度与最大流变应力在应变速率为2500 s-1~4500 s-1时均高于回火马氏体态,之后而随着应变速率的增加,二者的最大流变应力几乎一致,当应变速率达到6000 s-1时,淬火态出现转变剪切带,回火态依旧为变形剪切带。在动态变形过程中,相较于最大流变应力,晶粒尺寸主要影响屈服强度,细小的晶粒尺寸能够有效增加材料在动态变形过程中的屈服强度。在高温回火过程中,当回火时间小于1 h时,富铜纳米相强化钢在高应变速率下的强度最高,随着回火时间的增加,强度先持续下降,最终达到一个应力平台。过时效态富铜纳米相强化钢(预置纳米相)在相同应变速率下的最大流变应力均高于固溶态(无纳米相),表明析出相可通过阻碍动态变形过程中的位错滑移,显著提高富铜纳米相强化钢在动态变形过程中的强度。当应变速率低于4000 s-1时,峰时效态富铜纳米相强化钢的强度增加不明显,随着应变速率的增加,析出相对动态力学性能的贡献显著提高,并在应变速率为6000 s-1时强度提升达726 MPa,且尚未达到强度峰值,表明析出相在更高应变速率下仍可进一步提高富铜纳米相强化钢的强度。过时效态的应变速率敏感性先迅速增加再减缓,最后在大于5200 s-1时变为负值,峰时效态的应变速率敏感性在最初阶段上升缓慢,当应变速率大于4000 s-1后急剧增加,展现出较大的正应变速率敏感性。各状态的富铜纳米相强化钢经过高速冲击后,硬度较冲击前均有显著提高,硬度值随应变速率的变化与其对应状态的最大流变应力变化规律相吻合。并且在应变速率低于5200 s-1时,各状态试样内部均未发生明显的组织变化。随着应变速率的增加,试样内的绝热温升也逐渐增加,并对绝热温升公式进行修正,修正后得到圆柱型试样绝热剪切带产生的临界应变速率为5200 s-1,对应局部区域的临界温度为835 K。之后随着应变速率的增加,各状态试样内的剪切带逐渐变明显。剪切带为裂纹的产生与扩展提供了优先的途径与方向。富铜纳米相强化钢的剪切带内部由亚结构与细小的等轴晶组成,位错密度低,并且发生了动态再结晶;而过渡区则为被严重拉长的晶粒,位错密度高且大量塞积。在绝热剪切带中心及过渡区未发生元素的富集或贫化。由于在高度集中的应力与绝热温升的共同作用下,剪切带内部发生旋转再结晶机制,导致晶粒细化,生成纳米级等轴晶粒。之后随着应力集中程度与绝热温升的降低,使得过渡区的形成机制转变为动态回复机制。在动态再结晶与动态回复共同作用下,富铜纳米相强化钢形成绝热剪切带。
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