不锈钢材料高温、高应变率下动态力学性能的试验研究

不锈钢材料高温、高应变率下动态力学性能的试验研究张红;索涛;李玉龙【摘要】Dynamic compressive mechanical behavior of a stainless steel material was studied at elevated temperatures and high strain ratesby using split Hopkinson pressure bar (SHPB) , which was installed with heating and synchro assembly system. The tests were carried out at loading rates ranging from 1100 to 16000 s-1 and temperatures from 20 to 800℃. The strain rate and temperature sensitivities of flow stress are analyzed. The intrinsic mechanism is discussed according to the thermally activated dislocation motion theory. The results show that the material has evident heat softening effect and strain rate hardening effect. And both the strain rate and temperature sensitivities of the material are increased at higher temperatures.%利用带有加热装置和同步组装系统的高温Hopkinson压杆系统对某不锈钢材料在温度20 ～800℃时,应变率103 ～ 104s-1下的动态压缩力学性能进行了测试,得到了材料在不同温度和应变率耦合作用下的真实应力-应变曲线.对比准静态结果,考察了材料流动应力的温度和应变率敏感性,并根据热激活位错运动理论对其内在机理进行了解释和探讨.试验表明,材料具有显著的热软化和应变率强化效应；且高温时,材料的温度敏感性、应变率敏感性均显著增加.【期刊名称】《航空材料学报》【年(卷),期】2012(032)001【总页数】6页(P78-83)【关键词】动态压缩;流动应力;绝热温升;温度敏感性;应变率敏感性【作者】张红;索涛;李玉龙【作者单位】西北工业大学航空学院,西安710072;西北工业大学航空学院,西安710072;西北工业大学航空学院,西安710072【正文语种】中文【中图分类】TG142.7不锈钢是现代工业中的一种重要结构材料，广泛应用于航空、化工、能源等方面，对其力学性能的研究具有重要的价值。

从现有对各类不锈钢材料的研究可发现:应变速率增加时，其真实应力、加工硬化率和应变率敏感性存在较大差异［1～3］;同时温度对这类材料的力学性能也有较大影响［1～6］。

而不锈钢结构件的加工、使用过程经常会涉及高温环境和动态载荷，因此有必要研究不锈钢材料在高温、高应变率耦合条件下的力学行为，以便为动态载荷下材料和结构的设计、加工及优化提供参考。

例如，结构件的高速切削加工即为典型的高应变率、高温变形过程，对切削过程的仿真分析则必须提供相关的动态力学性能参数才能进行。

但目前国内对不锈钢材料的研究多为高温准静态试验［4～6］和室温动态试验［7］的分别研究，高温、高应变率耦合力学性能的研究结果较少。

为此，本文利用加装同步组装系统的高温Hopkinson压杆系统对某不锈钢材料高温、高应变率耦合状态下的动态力学性能进行了测试，得到了材料不同应变率和温度下的真实应力-应变曲线，并与准静态压缩结果对比，研究了材料的塑性流变行为，对其温度及应变率效应进行了分析。

1 试验条件及试验装置1.1 试验条件本工作对不锈钢的压缩试验涉及不同温度下的准静态和动态两种情况。

准静态试验采用φ5mm×5mm圆柱试样在电子万能实验机上进行，通过控制加载速率使应变率保持在0.001s－1。

试验温度为室温20℃ ，200℃ ，400℃ 。

动态试验选取1100s－1，2400s－1，4000s－1，8000s－1和 16000 s－1五种应变率。

其中，1100 s－1和2400 s－1两种应变率下的压缩试验采用φ5mm ×5mm的圆柱形试样，在直径12.7mm的分离式Hopkinson压杆上进行;应变率4000和8000 s－1试验采用φ2mm ×2mm ，16000 s－1采用φ2mm ×1mm 圆柱形试样在直径5mm的微型Hopkinson压杆［8］进行。

试验温度为室温20℃ ，200℃ ，400℃ ，600℃ ，800℃。

为避免试样加热引起加载杆温度变化造成波阻抗变化影响试验准确性，高温时采用加装同步组装系统的高温Hopkinson杆系统［9，10］实现高温、高应变率同时加载。

1.2 高温Hopkinson压杆系统传统Hopkinson压杆由空气炮、子弹(撞击杆)、入射杆、透射杆、测试系统、支持系统组成［9］。

其基本工作原理［9］是将试件夹在入射杆和透射杆之间，利用空气炮以一定速度发射子弹撞击加载杆产生压缩应力波，并通过入射杆和透射杆上粘贴的应变片记录入射波εI、反射波εR和透射波εT信号。

根据一维应力波理论［11］，得到被测试样的应变率˙εS、应变εS、应力σS随时间的变化历程:式中E，C0和A为加载杆弹性模量、纵波波速和横截面积，LS，AS为试样原始长度和横截面积。

图1 带有同步组装系统的高温Hopkinson杆系统［9］Fig.1 High temperature Hopkinson bar with synchro assembly system 1—outlet valve;2—inletvalve;3—back air chamber;4—front air chamber;5—strike bar;6—incident bar;7—reaction mass;8—heating furnace;9—sample;10—transmittedbar;11—momentum trap bar;12—driver;13—support;14—air pipe;15—plunger.由于在Hopkinson压杆试验过程中试样必须与两加载杆相接触，高温试验时若把试样和加载杆的杆端同时放于加热炉中进行加热，加载杆上将产生温度梯度，而温度的变化会引起波阻抗的变化。

Hopkinson压杆实验中假设波阻抗沿加载杆长度方向不变，因此这种加热方法将对实验数据的处理造成诸多不便［13］。

高温Hopkinson压杆系统则只对与加载杆分离的试样单独加热，并利用同步组装系统，实现加载应力波到达入射杆与试样接触面之前，预加热试样、入射杆和透射杆在毫秒量级时间内充分接触，克服了加载杆温度变化及弹性杆过热等一系列问题［9，10］。

图 1 为高温 Hopkinson 压杆系统的工作原理图，装置的详细介绍参阅文献［9，10］。

2 试验结果分析与讨论2.1 试验结果分析图2给出了不锈钢在准静态及 1100s－1，2400s－1，4000s－1，8000s－1和16000s－1应变率下不同温度的真实应力-应变曲线。

由图可知，该不锈钢材料具有明显的温度和应变率敏感性。

准静态及动态加载时材料的流动应力均随温度升高显著降低，存在明显的热软化效应;同一温度下，动态加载时材料的流动应力均高于准静态，且流动应力随应变率增加而增大。

动态压缩过程中，较低应变率下材料的真实应力-应变曲线与准静态时变化规律相似，存在微弱的应变硬化现象，但高温高应变率下变形规律与准静态结果存在明显差异。

当应变率达到2400s－1时，材料在各试验温度下均无应变硬化发生，表现为近似的弹性-理想塑性变形行为。

图2f中材料在16000s－1应变率时出现明显软化。

材料的这种应变硬化行为随应变率升高而降低的现象与高应变率下塑性变形的绝热效应有关。

在动态压缩时，由于加载时间很短，材料塑性变形引起的热来不及散出，导致变形时的温度随应变水平的增加逐渐升高。

较大的绝热温升引起材料软化就会导致应变硬化率降低，甚至出现应变软化。

高应变率变形时的绝热温升ΔT由变形过程中的塑形功转化成的热量产生，一般可由下式计算［12］:式中，σ为真实应力，ε为真实应变，ρ是材料密度，CV是材料的比热容;η是功热转化系数，通常，可认为塑性功全部转化成热量，取η=1.0。

本研究所用材料，ρ=7.8 ×103kg/m3，CV=0.5kJ/(kgK) 。

图3给出了流动应力与绝热温度的对应关系。

由图中可看出，材料温度随变形量的增大不断升高，这是动态加载时塑性变形产生的热在材料内不断累积的表现。

而温度的升高通常会引起材料变软，因此在高应变率下变形时，实际上存在着材料本身的应变硬化与绝热效应引起的应变软化相互竞争。

在1100s－1、室温变形至应变 0.12 时，绝热温升仅为44.5℃ ，由此引起的热软化较弱，因此应力-应变曲线仍表现出一定的应变硬化现象。

而随着应变率的升高，由于材料的流动应力增大，变形时的塑性功增大，引起的绝热温升也显著增大，引起热软化增强，导致材料应变硬化率显著降低，甚至出现应变软化。

例如，在16000s－1应变率下该现象最为显著，应变由0.1增至0.4的过程中，温度升高了138℃ ，流动应力下降107MPa。

但随着试验温度的增高，材料流动应力降低，变形时的塑性功减小，引起的绝热温升降低，材料的软化现象也趋于不明显。

例如在16000s－1应变率下，800℃ 应变达0.4时，绝热温升仅为70.1℃ ，材料表现出一定的应变硬化行为。

2.2 材料的温度效应金属材料的塑性流动基本上是由位错的运动引起的［13］。

根据热激活位错运动理论［12］，位错运动过程需克服的能量势垒有短程和长程两种。

其中短程势垒为热激活项，可由热能ΔG克服;长程势垒则由材料结构本身决定。

因此，材料的流动应力可表示为热激活σ*和非热激活σG两部分，即热能ΔG与温度及应变率存在以下关系［12］:假设势垒为简单的矩形形式时，σ*可表示为［12］式中，U0为温度0K时对应的短程势垒(J)，k为Boltzmann量，T为热力学温度(K)，为参考应变率。

V*为激活体积(m3)，与林位错间距、位错扩展宽度和Burgers矢量有关。

V*可由式对ln˙ε求偏导得到，即:表1给出了无量纲激活体积随温度的变化趋势，其中b=2.65 × 10－10m，为Burgers矢量的模［14］。