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摘要：当金属材料中的晶粒尺寸减小到超细晶量级时，材料性能将发生一系列巨大而有益的变化，如高强度、高韧性、较低的韧脆转变温度以及高应变速率和低温超塑性等优异性能。该性能受到了世界各国研究者的高度重视。采用分离式霍普金森压杆试验研究强动载荷下超细晶金属材料的动态力学响应已成为一个重要的研究方向。叙述了超细晶金属材料在动态载荷下的力学响应及相关微观组织演变的研究成果。简述了超细晶金属材料在动态载荷下绝热剪切带的形成机理及其失效分析，并对目前所存在的问题和以后研究方向进行了分析和展望。

关键词：超细晶金属材料;动态力学;形成机理

1.引言

随着现代工业和科学的飞速发展，要求金属材料在保持原有成像质量的同时，还要具备更高的力学性能。将普通金属材料晶粒细化来制备超细晶金属材料可同时提高材料的强度和韧性，进而取代较为昂贵的合金材料。在资源紧缺、环境污染日益严重的背景下，该技术减少了对昂贵金属的消耗、提升了材料利用率及性能，对我国制造业具有重要意义。

不同的超细晶金属材料往往有不同的材料属性。谢奎[1]等利用电子万能实验机对超细晶铜进行不同温度的准静态压缩实验，研究温度对材料流动应力和应变硬化行为的影响。结果表明：与退火粗晶铜相比，超细晶铜在压缩过程中的流动应力显著增大，但是由于材料的位错密度已经饱和，其应变硬化能力却几乎丧失，应变硬化率对应变和温度的依赖性也显著低于退火粗晶铜的;同时，由于晶粒细化导致材料的激活体积减小，超细晶铜的流动应力对温度的敏感性与粗晶铜相比，显著增大。郑战光[2]等通过多晶voronoi 集合体和电子背散射衍射（EBSD）图构建代表性的体积单元（RVE），并进行对称循环载荷加载;对RVE 内所有单元的应变情况进行统计和分析，使用纵向应变的统计标准偏差来表征不均匀变形的情况。结果表明：超细晶铜在循环中应变不均匀性随着加载和卸载而变化，随着循环周期的增加逐渐增加，拉伸峰值位置应变不均匀性逐渐大于压缩峰值位置。李雨衡等[3]系统研究了VC 添加量和复合粉中碳含量对硬质合金的相组成、显微组织、室温和高温力学性能的影响。结果表明：硬质合金的晶粒尺寸、硬度和断裂韧性主要受VC 添加量的影响，且随VC 添加量的增加呈单调变化;抗弯强度随VC 添加量的变化趋势与碳含量有关;压缩强度随温度的变化呈现先降低后升高的趋势;当WC-Co 复合粉的碳含量为5.60%～5.68%（质量分数）、VC 添加量不超过0.5%时，可分别制备出室温抗弯强度为4482 MPa 和600 ℃下抗压缩强度为4914 MPa 的高综合性能的超细晶硬质合金。

以上研究均集中于超细晶金属材料的静态方面。在实际生活中，目前使用场合例如车辆碰撞，爆炸焊接、穿甲、高速成型等动态变形条件更加普遍;而超细晶材料在动态加载下的组织演变与力学性能的研究，对拓展超细晶金属材料在高应变速率动态变形情况下进一步使用有现实的指导意义。目前动态力学行为多采用分离式霍普金森压杆（SHPB）技术实现，本文从利用分离式霍普金森压杆技术研究超细晶材料在动载荷下的动态力学行为研究现状出发，简述了在超细晶材料动态力学行为方面研究的成果及相关绝热剪切带的形成机理;并对目前所存在的问题和以后研究应用方向进行了展望。

2.超细晶金属材料的动态力学性能

杨泽洲[4]等利用旋转盘式Hopkinson 拉伸实验系统开展了510 nm 超细晶D6A 低合金钢的动态拉伸实验，获得了不同应变率下超细晶D6A 钢的应力-应变曲线，并结合TEM 细观观测技术，研究了超细晶钢在动态拉伸作用下的力学行为特性及细观机理。通过分析实验结果可得到以下结论：（1）超细晶D6A 钢在跨应变率加载作用下呈现明显的应变率强化效应。拉伸强度在准静态加载下约为1100 MPa～1120 MPa，而在高应变率拉伸下可增大1950MPa～2240MPa。经分析认为，高应变率作用下位错运动速率增加导致的临界滑移切应力增大，以及纳米渗碳体析出强化是超细晶D6A钢拉伸动态强度显著提。

（2）超细晶D6A 钢的延伸率从静态变形的25%降低至动态变形的13%。断口形貌微观观测显示，动态加载试件相较于准静态拉伸下韧窝数量较少，塑性降低;剧烈塑性变形下超细晶钢的平均晶粒尺寸减小，材料内部晶界密度持续升高，最终导致超细晶D6A 钢动态加载延伸率的降低。（3）在动态拉伸时，应力到达峰值后出现应力下降现象。该现象的出现可归因于可动位错密度的升高，可动位错密度改变是原始位错解锁和新生位错增殖共同作用的结果。

Yang Gon Kim[5]等研究了不同ECAP路径诱导的具有不同微观结构的铝合金试样的拉伸和扭转性能，并对结果与绝热剪切带形成的关系进行了讨论。根据接收1道次和8道次ECAPed试样的微观结构观察，8道次后，无论加工路线如何，20微米的初始晶粒尺寸细化至约0.5微米。路径A试样显示出不均匀的微观结构，晶粒严重拉长。在室温拉伸试验中，强度随外加变形应变的增加而增加。在三个8道次ECAP试样中，路径B试样的强度和伸长率最高，其次是路径C和A试样。根据扭转试验数据，最大剪应力随着显微组织均匀性的增加而增加，这与拉伸试验结果相似。在三个8道次ECAPed试样中，路线B试样的最大剪应力、最大应力点处的剪应变和断裂剪应变最高，其次是路线C和A试样。绝热剪切带的形成和剪切应变最低的路线，其严重的方向和不均匀的微观结构试样。根据加工路线，由于绝热剪切带的存在或不存在，扭转性能变化很大。这种绝热剪切带的形成很大程度上受微观结构均匀性和孔洞萌生程度的影响。

汪显存[6]等研究了超细晶铝在77-473K温度范围内的准静态和动态压缩力学性能，并研究了晶粒细化对纯铝应变硬化行为及其温度和应变率敏感性的影响。结果表明与粗晶铝相比，超细晶铝由于晶粒细化其流动，应力显著增大。但是，由于超细晶铝在制备过程中发生剧烈塑性变形，材料内部位错密度很高，在加载过程中由于位错的动态回复表现出应变硬化能力的丧失，在高温准静态加载条件下甚至出现应变软化行为。准静态及动态变形条件下， 超细晶铝的流动应力对试验温度和应变率表现出更强的敏感性;无论是准静态条件还是动态条件下， 超细晶铝的应变率敏感性因子均随着温度的升髙而增大。同时， 动态条件下超细晶铝的应变率敏感性因子要高于准静态条件下的。

Q.Wei[7]等研究了超细晶（UFG）铁的塑性变形行为。在准静态压缩条件下，经过四次ECAE路径处理的铁表现出几乎完美的弹塑性行为，而在动态压缩条件下则表现出轻微的流动软化。与粗晶Fe相比，准静态屈服强度增加了3-4倍，动态屈服强度增加了2倍以上。从ECAE加工状态开始在低温下进一步轧制可进一步提高强度，并在准静态压缩尤其是动态压缩下诱导显著的流动软化。严重的塑性变形使铁的应变率敏感性降低了2倍。通过消除应变硬化、降低应变率敏感性和增加流动强度，特别是ECAE-R处理使铁容易产生绝热剪切带。在Kolsky杆压缩下，首次在铁中观察到绝热剪切带。上述结论可以推广到其他超细晶金属，而不管加工路线。因此，正是将晶粒尺寸细化到超细晶区域，才使得bcc金属中的局部流动能够进行，否则只能进行均匀变形。这似乎是一种促进剪切局部化的有效方法，在动能侵彻体等应用中，剪切局部化是塑性变形和破坏的理想模式。

（注意退火铁的应变硬化为0.2。SPD处理的样品中不存在应变硬化。相反，在这些样品中观察到流动软化，特别是在ECAE+R状态下。图中给出了应变率。）

D.Jia[8]等系统地研究了平均晶粒尺寸从几十纳米到几十微米的固结铁在大范围应变率下的单轴压缩力学行为。发现有效屈服应力随晶粒尺寸的减小而增大，与Hall-Petch关系一致，晶界强化成为流动应力的主要部分。有效应变硬化降低，晶粒尺寸d<300 nm时可忽略不计。这种变化与变形模式的变化直接相关，即从大晶粒尺寸的均匀变形到d<300 nm的局部剪切变形。即使在准静态应变率和低应变条件下也能观察到剪切带，并成为塑性变形的主要模式。对于这种bcc金属，在UFG/纳米晶粒尺寸范围内，有效速率灵敏度随着晶粒尺寸的减小而降低。晶粒尺寸对流动应力速率依赖性的影响与bcc金属中变形机制的当前理解定性一致。观察到的应变硬化（或缺乏）在准静态和动态载荷之间保持一致。剪切带的基本机制在低速率和高速率加载之间似乎没有变化;失效机制似乎是由晶粒尺寸而非应变率介导的。剪切带内的微观结构似乎与绝热剪切带机制不一致。这种材料中的剪切带形成过程（在压缩下）包括新带的形核、沿剪切面传播、带内宽度增加（加宽）和应变增加（流动）。在较大的塑性应变下观察到剪切带网络。观察到的剪切带宽度至少是小应变下晶粒尺寸的50倍，剪切带方向由宏观应力状态和高应变率单轴压缩下获得的固结铁的典型应力-应变线。

Byoungchul Hwang[9]等对ECAP制备的超细晶粒低碳钢进行了动态扭转试验，并通过TEM研究了绝热剪切带的详细微观结构发展。根据动态扭转试验数据，随着退火时间的增加，最大剪切应力减小，而断裂剪切应变增大。1小时退火试样中形成的绝热剪切带约为10微米宽，约为压制试样宽度的两倍。然而，24小时退火试样由于此处未形成绝热剪切带而未完全断裂。这是因为当试样通过退火软化时，塑性变形的局部化被放松了。在动态扭转试验期间形成的绝热剪切带中观察到细长铁素体和非常细的等轴铁素体。在剪切带侧面，当位错通过动态回复重新排列时，通过分割拉长的铁素体形成胞状结构。

3.结论

以上关于材料动态力学行为的研究成果多是在分离式霍普金森压杆装置上取得的，由于分离式霍普金森压杆装置设计上的缺陷，限制了对材料动态变形研究的深入开展。动态载荷下材料力学行为要考虑很多因素，例如惯性、应变、应变率和温升甚至伴生光、声、电等次生效应。任何一个因素的不确定性都会影响实验的准确性。在动态载荷下，剪切变形在极短的时间内完成，绝热剪切带的形成、宏观上的剪切带是如何通过微观剪切发展而成的以及它的形成机制等都需要进一步深入研究。

参考文献：

[1]谢奎，索涛，李玉龙，等.不同温度下超细晶铜的准静态压缩力学行[J].中国有色金属学报，2011，21（8）：1862-1868.

[2]郑战光，徐涛，孙腾，等.超细晶铜在循环载荷下的非均匀变形演化[J].热加工工艺，2021，51（4）：33-41.

[3]李雨衡，刘雪梅，刘超，吕皓，等.VC和碳含量对超细晶硬质合金室温和高温性能的影响[J].稀有金属材料与工程，2021，50（6）：2169-2176.

[4]杨泽洲，申勇峰，等.超细晶D6A 钢动态拉伸力学特性实验研究 [J].爆炸与冲击，2021，（），1-11.

[5]Kim Y G， Ko Y G， Shin D H， et al.Effect of equal-channel angular pressing routes on high-strain-rate deformation behavior of ultra-fine-grained aluminum alloy [J].Acta Materialia，2010，58：2545-2554.

[6]汪存显，索涛，李玉龙，谢奎.不同温度和应变速率下超细晶铝的力学行为[J].中国有色金属学报，2014，24（5）：1200-1205.

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[8]Jia D， Ramesh K T， Ma E.Effects of nanocrystalline and ultrafine grain sizes on constitutive behavior and shear bands in iron[J].Acta Materialia，2003，51：3495-3509.