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Fe50Mn30Co10Cr10高熵合金组织结构 对其绝热剪切敏感性的影响 ① 杨 扬1,2, 杨双君1, 刘文辉3 (1.中南大学 材料科学与工程学院,湖南 长沙 410083; 2.中南大学 有色金属材料科学与工程教育部重点实验室,湖南 长沙 410083; 3.湖南科技大学 材料科学与工程学院,湖南 湘潭 411201) 摘 要 在室温下利用分离式霍普金森压杆对 Fe50Mn30Co10Cr10高熵合金帽型样进行动态加载,通过动态加载曲线对比及金相观察 分析了不同组织结构对 Fe50Mn30Co10Cr10高熵合金的绝热剪切敏感性的影响规律与机制。 结果表明,在相同动态加载条件下,试样 晶粒越小、密排六方(hcp)相含量越多,绝热剪切带形成时的应力坍陷时间、临界应变、单位体积绝热剪切吸收能越大,绝热剪切带 的宽度越小,绝热剪切敏感性降低。 以面心立方(fcc)相为基体的 Fe50Mn30Co10Cr10高熵合金的晶粒越小、hcp 相含量越多,其应变硬 化效应和应变速率强化效应越大,在相同动态加载条件下绝热剪切敏感性越小。 关键词 Fe50Mn30Co10Cr10; 高熵合金; 组织结构; 绝热剪切敏感性; 绝热剪切带; 霍普金森压杆 中图分类号 TG115文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2019.03.029 文章编号 0253-6099(2019)03-0119-04 Impact of Microstructure of Fe50Mn30Co10Cr10High-entropy Alloy on Its Adiabatic Shear Susceptibility YANG Yang1,2, YANG Shuang-jun1, LIU Wen-hui3 (1.School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, Hunan, China; 2.Key Laboratory of Nonferrous Metal Materials Science and Engineering of Ministry of Education, Central South University, Changsha 410083, Hunan, China; 3.School of Materials Science and Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, Hunan, China) Abstract Dynamic loading of Fe50Mn30Co10Cr10high-entropy alloy was carried out by using a split Hopkinson pressure bar at room temperature. The influence of different microstructures on the adiabatic shear susceptibility of Fe50Mn30Co10 Cr10high-entropy alloy was analyzed by metallographic observation and comparison among the dynamic loading curves. The results showed that under the same dynamic loading conditions, the smaller grains and the more content of the hexagonal close-packed(HCP) phase in the sample led to an increase in the stress collapse time, the critical strain, and the adiabatic shear absorption energy per unit volume, as well as the decrease in the width of the adiabatic shear band and the adiabatic shear susceptibility. Besides, for the Fe50Mn30Co10Cr10high-entropy alloy with face-centered cubic (FCC) structure as the matrix, the smaller grain size and the higher HCP phase content led to both the strain hardening effect and strain rate strengthening effect increased, while the adiabatic shear susceptibility reduced under the same dynamic loading conditions. Key words Fe50Mn30Co10Cr10; high-entropy alloy; microstructure; adiabatic shear susceptibility; adiabatic shear band; Hopkinson pressure bar 绝热剪切是高应变速率变形中的本构失稳现 象[1]。 绝热剪切敏感性用来表征绝热剪切发生的难 易程度,绝热剪切敏感性越高,越容易发生绝热剪切。 针对高熵合金成分、微观结构、力学性能等方面的 研究取得了持续性进展[2-6]。 Fe50Mn30Co10Cr10高熵合 金具有高强度和高延展性的优点[7],在高速动能武器 ①收稿日期 2018-12-22 基金项目 国家自然科学基金(51274245,51574290) 作者简介 杨 扬(1963-),男,湖南常德人,博士,教授,主要研究方向为材料动态行为。 通讯作者 杨双君(1995-),女,湖南邵阳人,硕士研究生,主要研究方向为材料动态行为。 第 39 卷第 3 期 2019 年 06 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.39 №3 June 2019 ChaoXing 材料、未来核能与空间防护材料等方面具有良好应用 前景。 然而目前关于 Fe50Mn30Co10Cr10高熵合金的研 究很少,尤其对其局域化绝热剪切行为研究还未有文 献报道。 本文首次研究 Fe50Mn30Co10Cr10高熵合金不 同组织结构对其绝热剪切敏感性的影响规律,为该合 金的工程应用提供实验数据和理论支撑。 1 实 验 实验原材料为 Fe50Mn30Co10Cr10(at%)铸态高熵合 金,采用真空中频感应炉熔炼而成,整个过程在氩气保 护气氛下进行,感应炉型号为 ZG-0.01。 熔炼后的材 料采用全谱直读等离子体发射光谱仪(ICP-OES)检测 元素含量,结果如表 1 所示。 由表 1 可知,铸造实际成 分接近理论成分。 表 1 Fe50Mn30Co10Cr10高熵合金成分(原子分数) / % 项目FeMnCoCr 理论成分50301010 材料实际成分50.4430.049.719.81 材料熔炼后,做以下两种热处理① 在 900 ℃ 下 热轧 50%,随后在氩气保护气氛下于 1 000 ℃ 保温 2 h,水淬,得到 HRQ 试样;② 在①的基础上,冷轧 40%,随后在 900 ℃ 下保温 5 min,水淬,得到 CRQ 试样。 利用分离式霍普金森压杆加载帽型试样发生受迫 剪切是研究绝热剪切失效常用的方法之一[8-9],帽形 试样可以通过控制剪切局部化起始位置和剪切带扩展 方向,达到研究绝热剪切失稳的目的[10]。 本设计压杆 的撞击杆、入射杆、透射杆均为 45 号钢杆,直径均为 16 mm。 实验采用的撞击杆长度为 210 mm,入射杆和 透射杆长度均为 1 200 mm。 加载时将试样放在入射杆 和透射杆之间,用撞击杆撞击入射杆使试样在短时间内 完成加载,入射杆和透射杆上均粘贴上应变片以获取入 射波、反射波及透射波电信号,如图 1 所示。 实验时控 制加载气压值以获得不同的加载速度,从而得到不同 的加载应变速率,本实验 2 种平均加载应变速率为 1.37105s -1 、1.55105s -1 ,实验温度为 298 K。 帽型样 的尺寸如图 1(b)所示。 从图中可以看出,剪切区域的 宽度为 0.1 mm,高度 h 为 3 mm。 动态加载后的帽型样沿着试样中轴线切开,利用 POLYVAR-MET 金相显微镜观察加载后试样的组织结 构。 金相实验采用的腐蚀液为王水,腐蚀 10 s 后在金 相显微镜下观察。 拍摄的金相照片通过 image pro plus 软件分析晶粒大小、相含量、绝热剪切带的宽度。 S h dedi 透射杆 样品 入射杆 强迫剪切区 S0.1 6 8 3 Φ5.5 Φ5.3 Φ8.5 a b 图 1 试样安放及尺寸示意 (a) 试样安放位置; (b) 试样尺寸(单位mm) 2 结果与讨论 2.1 加载前 Fe50Mn30Co10Cr10高熵合金的微观结构 2 种不同组织结构的试样的金相显微组织如图 2 所示。 由图 2 可以看出,试样均由 γ 相(fcc,a=0.361 8 nm)和马氏体 ε 相(hcp,a=0.252 9 nm,c=0.413 nm)两 相组成,HRQ 试样的晶粒大小平均约为 35 μm,CRQ 样品的晶粒大小约为 10 μm。 经过 image pro plus 软 件测量,HRQ 试样的 hcp 相含量为 17.2%,CRQ 试样 的 hcp 相含量为 38.7%。 图 2 试样显微组织 (a) HRQ 试样; (b) CRQ 试样 2.2 Fe50Mn30Co10Cr10高熵合金组织结构对其绝热剪 切敏感性的影响 相同动态加载条件下 2 种不同组织结构的试样的 绝热剪切敏感性可以通过应力坍塌时间、绝热剪切发 生时的临界应变、绝热剪切形成能以及金相观察来比 较。 一般来说,应力坍塌时间越短,绝热剪切发生时的 临界真应变越小,绝热剪切发生时所吸收的能量越少, 说明试样的绝热剪切敏感性越高,越容易形成绝热剪 切带。 获得单位体积的绝热剪切形成能 E(MJ/ m3)的 公式如下 E = ∫ ε 0σdε (1) 021矿 冶 工 程第 39 卷 ChaoXing 式中 σ 为真应力,MPa;ε 为真应变。 根据式(1),通过 对应力-应变曲线起始点到绝热剪切带出现点即“应力 塌陷点”进行积分,可以得到 2 种组织结构的试样在 不同加载条件下的单位体积绝热剪切形成能。 2.2.1 应变速率为 1.37105s -1 时 图 3 为应变速率为 1.37105s -1 加载条件下 2 种 组织结构试样的金相形貌。 2 种组织结构的试样均未 出现明显的绝热剪切带,其中 HRQ 试样在帽型端口附 近开始产生绝热剪切局域化,但未发展成绝热剪切带, 而 CRQ 试样帽型端口附近无形变局域化倾向,可见 HRQ 试样的绝热剪切敏感性高于 CRQ 试样。 图 3 应变速率 1.37105s -1 时试样金相形貌 (a) HRQ 试样; (b) CRQ 试样 2.2.2 应变速率为 1.55105s -1 时 图 4 为应变速率为 1.55105s -1 加载条件下 2 种 组织结构试样的金相形貌及加载曲线、绝热剪切吸收 能。 图 4(a)、(c)表明 HRQ 试样的绝热剪切带内部有 裂纹产生,绝热剪切带的平均宽度约为 18.1 μm。 图 4 (b)、(d)表明 CRQ 试样产生了一条细长的绝热剪切 带,在绝热剪切带内部有少量裂纹产生,经过测量,绝 热剪切带的平均宽度约为 2.6 μm。 从图 4(e)可以看 出,HRQ 试样的应力塌陷时间为 16.9 μs(a1点),CRQ 试样的应力坍陷时间为 19.2 μs(a2点)。 图 4(f)表明 HRQ 试样发生绝热剪切失效时的临界应变为 0.85(b1 点),CRQ 试样发生绝热剪切失效时的临界应变为 0.95(b2点)。 图 4(g)表明 HRQ 试样发生绝热剪切时 单位体积吸收的能量为 719.7 MJ/ m3,CRQ 试样单位 体积吸收的能量为 789.4 MJ/ m3。 通过上述比对分析 可知,在加载应变速率为 1.55105s -1 条件下,HRQ 试 样的绝热剪切敏感性高于 CRQ 试样,更容易形成绝热 剪切带。 材料在冲击载荷下的绝热剪切可归结为材料的 热-粘塑性本构失稳,热-粘塑性本构方程在一维剪切 的情况下可表达为 τ = f(γ,˙ γ,T)(2) 式中 τ 为剪切应力,MPa;γ 为剪切应变;˙ γ 为剪切应变 速率,s -1 ;T 为形变温度,K。 1800 1200 600 0 0.00.51.51.02.02.5 真应变 真应力/MPa f 3.0 2.0 1.0 0.00 2575100125 时间/μs 电压/mV e 800 750 700 650 600 HRQ样品CRQ样品 样品名称 吸收能/MJ m-3 g 719.7 789.4 HRQ样品 CRQ样品 CRQ样品 HRQ样品 a1 a2 b1 b2 图 4 应变速率 1.55105s -1 时的金相形貌、加载曲线及绝热剪 切吸收能 (a) HRQ 样品金相图; (b) CRQ 样品金相图; (c) 图(a)局部放大; (d) 图(b)局部放大; (e) 电压-时间加载曲线; (f) 真应力-真应变曲 线; (g) 单位体积绝热剪切吸收能 本构失稳的临界条件为dτ dγ =0,即 dτ dγ = ∂τ ∂γ + ∂τ ∂˙ γ d ˙ γ dγ + ∂τ ∂T dT dγ = 0 (3) 当dτ dγ<0 时,材料发生绝热剪切局域化。 由式(3) 可知,在一般情况下,本构失稳发生取决于材料的应变 硬化∂τ ∂γ(>0),应变率硬化 ∂τ ∂˙ γ(>0)和热软化 ∂τ ∂T(<0)之 间的平衡,当热软化效应越大,应变硬化和应变率硬化 效应越小,dτ dγ越容易小于 0,越容易发生绝热剪切局域 化。 一般情况下,低的应变硬化、低的应变率硬化和高 的热软化,均有利于形成绝热剪切带。 对于 Fe50Mn30Co10Cr10高熵合金,试样的晶粒尺寸 越小,hcp 相含量越多,fcc 基体在变形过程中就越稳 121第 3 期杨 扬等 Fe50Mn30Co10Cr10高熵合金组织结构对其绝热剪切敏感性的影响 ChaoXing 定,加工硬化速率越高[11]。 CRQ 试样的晶粒尺寸比 HRQ 试样小,hcp 相含量多(图 2),因此其应变硬化速 率即应变硬化效应 ∂τ ∂γ ■ ■ ■ ■ ■ ■大于 HRQ 试样。 同时,材料 应变率敏感性与晶粒尺寸有关,晶粒越小,面心立方晶 体的流变应力的应变率敏感性增加,即应变速率硬化 效应 ∂τ ∂˙ γ ■ ■ ■ ■ ■ ■增加[12],而 fcc 为基体的 Fe50Mn30Co10Cr10高 熵合金的 CRQ 试样的晶粒尺寸比 HRQ 试样小,CRQ 试样的应变速率硬化速率即应变率硬化效应 ∂τ ∂˙ γ ■ ■ ■ ■ ■ ■大 于 HRQ 试样。 因此,在相同动态加载条件下,CRQ 试样的应变 硬化效应和应变速率硬化效应大于 HRQ 试样,更不容 易产生绝热剪切,试样的绝热剪切敏感性更低。 3 结 论 1) 2 种组织结构的试样在应变速率为 1.37105s -1 的加载条件下,均未形成绝热剪切带,在 1.55105s -1 加 载条件下均产生了绝热剪切带。 2) 在相同动态加载条件下,HRQ 试样发生绝热 剪切失效时的应力坍陷时间、临界应变均低于 CRQ 试 样,绝热剪切带形成时吸收的能量低于 CRQ 试样,绝 热剪切带的平均宽度大于 CRQ 试样,说明 HRQ 试样 的绝热剪切敏感性更高。 3) 以 fcc 为基体的 Fe50Mn30Co10Cr10高熵合金晶 粒越小、hcp 相越多,其应变硬化效应和应变速率强化 效应越大,在相同动态加载条件下抵抗高应变速率载 荷下局域化形变能力越强,绝热剪切敏感性越小。 参考文献 [1] Meyers M A. 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