金属材料中绝热剪切带微机结构综述.pdf

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1、 1 9 9 5 年 第 1 6 卷 第 4 期 华北工学院学报 Vo 1 1 6 N o 1 9 9 5 (总第 5 2 期)J O U RN A L O F N O R T H C H I N A I N S T I T U T E O F T E C H N O L O G Y(S u m No 5 2)金属材料中绝热剪切带 微观结构综述 杨卓越赵家萍 A (华 北 工 学 院，太 原0 3 0 0 5 1)r 摘要本文总结 j金属材料 中绝热剪切带擞观结构的透射电子 显教(TE M)研究成果，其主要内容涉及以下几个方面：绝热剪切带微观组织特征；钢中白 亮带彤 成原因的讨论；绝热剪切带演

2、化机制和相对应的争论综述结果表明：绝热剪切带中心主要由细小的等轴晶(直径在 0 5 m 以下)组织组成；钢中白 亮带组织中很 少有淬火马氏体与此 同时 过去依据绝热剪切带彤貌把它分类 成“形变带”或“转 变带”也 显得过分粗糙 j 0 引言 绝热剪切是在冲击、侵彻、冲孔、切削和高速成型等过程中常出现的一种热力学失 稳现象构件内出现绝热剪切带即意味着其承载能力的丧失 特别是装甲材料，绝热剪 切是其主要 失效形式之一 许多文献口 巳把抗绝热剪切性能作为装 甲材料的主要性能 来研究_因此 半个世纪以来，学者们很重视绝热剪切带的研究，其成果也是令人瞩 目 的但这些研究偏重于绝热剪切带的形成条件和扩展规

3、律，相比之下对其微观结构的研 究遥相对较少，这除了绝热剪切带的形成、扩展与构件最终失效有较为直接的宏观关系 外，微观测试手段的局限性中限制了人们对绝热剪切带微观结构的深入研究 过去人们对绝热剪切带微观结构的研究局限于光学显傲镜下的观察和其显微硬度的 测试一对绝热剪切带内是否有相变也是根据其形貌而判定的，并根据其形貌把绝热剪切 带分为“形变带”或 转变带”两类，其特征如下：“形变带”仅是基体组织的高度变形 和碎化，从基体到剪切带中心呈现为逐渐过渡、带宽不完整 带中心除了原始组织变形 后的流线外，看不 出明显相变的痕迹；相反 相交带”中心巳看不出原始组织的形貌、带 车蕾于 l 9 9 5 年 r

4、月 2 5 B收孙 维普资讯 http:/ 3 2 8 华北工学院学报 I 9 9 s q 期 中心的“相变”区与两侧变形区形成明显的分界线 ，带宽趋向于均匀完整特别是台 有绝热剪切带的钢经侵蚀后 有时剪 切带具有“白亮”的特征，其显微硬度又与原材料淬 火组织的硬度接近，因此就简单地认为这是一种“相变带”，并把其微观组织归结为未回 火 的马氏体 随着透射 电子显微(T E M)分析技术的发展和应用，到 7 0 年代开始用 T E M 技术研 究绝热剪切带的微观结构特别是最近几年 由于各种暗场、衍射分析技术的完善和提 高，使人 们对绝热剪切带的微观结构有了 比较深刻的认识同时也表明过去依据形貌对

5、 绝热剪切微观结构的分析和判断显得过分粗糙本文就是在综述了这方面近几年文献的 基础上，对 不同金属材料中绝热剪切带的微观结构及其相关的问题提供一些新的认识 1 不同金属材料中绝热剪切带的微观结构 1 1 绝热剪切带微观组织的共同特征 绝热剪切带微观结构的 T E M 观察和分析表明：尽管材料种类和原始组织不同(T 一 及 T i 台金”，C u ，A I 合垒、不同原始组织的钢”)、试验条件亦不尽相同，但除变形较小的初生剪切带外，大多数绝热剪切带中心微观组织都具有共同的特征，即 其中心组织都非常细小，而且为等轴型(直径在 0 5 u m 以下)，这 一组织与基 体组织差异较大(见 图 1)此外

6、从基体到剪切带中心，微观组织是逐渐变 化和过渡的说明绝热剪切带形成过程中微观组织 的演化 比较复杂，主要包括：原始组织的重新 取 向、碎化和各种缺陷、亚结构的形成 并且伴随有 局部温度的升高，剪切带中心应变最大，温度最高 已演化成图 1 所示的以等轴细晶为基的组织；从带 中心到基体应变量和温度逐渐减小，微观组织的变 化主要体现在原始组织重新取向、碎化程度逐渐减 小、位错等缺陷密度逐渐 降低，这种近似连续的变 化使得难以确定其界限 Tir a o t h y S P 旧的综述及其它相关的文献把这 种具有细小等轴特征的组织归结为相变结果，相应 圈 1 绝热剪切带微观结构示意圈 A带中心等轴细晶组织

7、；B 吨 渡区域；C基体区域 的绝热剪切带即为“相变带”，否则即为“形变带”但事实上绝热剪切带形成时应变和温 度梯度非常大，带中 L-这种等轴细晶组织是普遍存在的，只是宽窄不 同而 已一些绝热 剪切带其形貌只是原始组织的变形和取向，过去即把它归类为“形变带，但带中心也存 在一层很薄的等轴细晶组织因此绝热剪切带的分类远非像前面所述的那样简单 1 2 化 T i，C u，A1 等纯金属内绝热剪切带的T E M 观察分析表明 I _：带中心由直径 0 0 0 3 m的等轴晶组成，晶界结构完整，衍射分析表明晶粒闻取向差较大 类似于动态 维普资讯 http:/ (总第匏 期)金属材料中绝热剪切带微观结构

8、综述(杨卓越等)3 2 9 再结 晶组织但与常规动态再结晶有本质的区别，这主要是 由于绝热剪切带周 围拥有“大量”的基l 奉，有限差分计算表明 ：绝热剪切后 其冷却速度高达l 0 G 1 9 C s 可短而知绝热剪切带 内组织演化与绝热剪切同时进行，因此其演化机制不会像常规动态(b)一 l一(c)(d)圉 2 纯金属中绝热带圳带演化机制示意图 再结晶那样通过形核、长大机制来完成这种特有的演化机制己由 A n d r a d e U 等人证 实(见图 2)，主要过程为：(1)绝热剪切之前，冲击载荷作用使原始组织内形成间距为 5 1 0 m的薄孪晶亚 结构；(2)这些亚结构在绝热剪切过程中变形，重

9、新取向于剪切方向并被拉长为 0 1 m 的薄片；(3)随后位错缠结使这些长条亚组织“碎化”；(4)与此同时，由于绝热使剪切带中心温度上升，原子进行短程扩散最后形成界面 完整、取向差较大的等轴晶组织(见图 2 d)除工业纯钛外 z,8,fl 大多数纯金属绝热剪切带中心两侧有明显的过渡区 跟前面所 述一致带中心两侧也没有明显分界线工业纯钛内剪切带 中心两侧存在清晰分界线、过 渡区不明显是特有的现象，Timo t h y S p F_S 3 把它归结为其微观结构固有的稳定性 1 3 钢 中绝热剪切带的微观组织 钢的微观组织是复杂的，其绝热剪切带微观组织踩具有前己叔述的共同特征外 原 始组织和试验条件

10、的不同也会引起其绝热剪切带微观组织的变化，表 1 为一些典型的事 例 ，维普资讯 http:/ 3 3 0 华北工学院学报 9 9 5 年第 4 期 要 詈 蓁 篓 纛 脯 H Y _ 1 o D 淬火 5 D O回火 1 0 s一 A1 SI 4 3 4 0 淬火 后 2 3 0 回火 AI S I 4 3 4 0 淬火后 2 o o C 回 火 2 8 NCD6 淬回火态 剪切带上应变 1 0 0 0，侵蚀后具有白亮特征j 带 中心是单一等轴晶组织。直径为 O 1 O，3 m；1 5 投育残留奥氏俸 炸 曼詈 薯 裹 鬈 ；y-l O；s 等轴晶内含有 Fe c 型碳化物 高速冲击 一1

11、O -爆炸破 片 剪切带上应变大于 l O O O 侵蚀后具有白亮特征 带中心为单一等轴品组织，晶粒直径 8 2 O n mI 1 7 没有残留奥氏体 带 中心等轴晶尺寸约 1 3 5 n m；一部分等轴晶内含有 8 2 O ti m的微薄膜马氏体；1 8 衍射圈中分布有 f c c 奥氏体和碳化物 糙幡 詈 薯 辜 等 有 碳 m 从表 1 所列结果和相关文献分析可以归纳出钢中绝热剪切带的一些微观结构特征：(1)绝热剪切带微观组织与基体组织差异较大，这种差异不仅体现在形貌上 更主 要地体现在组成相上(见表 I)说明绝热剪切带内确实发生过相变虽然表 1 所列的相 变产物(等轴细晶)也具有不同程

12、度的过饱和性 ，有时其形貌也具有 白亮特征，但除 2 8 N C D 6 外 几乎都不含有类似淬火马氏体特征(板条、凸透镜等)的相，2 8 N C D 6 钢也 只是少数等轴晶内含有 8 2 O n m厚的微薄膜马氏体此外，绝热剪切带 内相变是复杂 的 有时其形貌不具有“白亮”特征，但却发生了相变：如P a k H R等 对 AI S I 4 3 4 0 钢 爆炸破片形成的绝热剪切带研究时发现 其形貌不具备“白亮”特征，但其显微组织却发 生了从 e F c c到 F c s c：的实质性相变从而再次证明钢 中根据绝热剪切带形貌是否“白亮”来判定其是否发生相变的不确切性(2)试验条件不同(主要是

13、应变和应变率不同)，也会引起相变产物的差异如表 1 中所列的原始组织相同的两种钢(HY 1 0 0，AI S 1 4 3 4 0)随应变率(或应变)增加，会使得 带中心等轴 组织进一步细化、碳化物进一步溶解以致形成过饱和单 相等轴晶粒Z a r c k AI 2 和 Na k k a】-i l R 口 等分别用珠光体组织的钢也得出类似的结论几乎所有文献把这一 维普资讯 http:/ (总第 5 2 期)金属材料中绝热剪切带傲观结 匈综述(扬卓越等)3 3 l 现象归结为应变率(或应变)增大会使原始组织变形、碎化的程度更大，基体内缺陷密度 更高，伴随的温度也较高(3)绝热剪切带上发生的相变极其快

14、众所周知，绝热剪切只是局部现象，其周围 拥有太量 的基体 前 已述及绝热剪切后的冷却速度高达 l 0 1 0 C s，因此，绝热剪切 带上的相变与绝热剪切同时进行但由于绝热剪切带形成只需很短的时间(0 1 m s内)，从而证明其内组织转变速度是非常高的比如 Wi t t m a n C L等 研究 ALS 4 3 4 0 钢中绝 热剪切带时发现：原始组织中的 F c在形成绝热剪切带时转变成 z F e s C。碳化物，这 转变需常规 回火 2 0 min以上，从而证明转变速度提高 l 0 倍此外丈献 加证明片状 珠光体的钢绝热剪切时，渗碳体的球化速度比常规球化退火处理快 1 倍文献 I“”把如

15、此快的相变速率归结为绝热剪切时原始组织的高度变 形和相应温度上升的共同作 用，方面由于基体组织的高度变形、碎化，其内形成过剩的空位集中和高密度的位错 缠结，这使得原子扩散能力大大提高，另方面基体内火量亚结构的出现使原子扩散成 为短程扩散因此扩散并未成为限制相变的因素D v r e p J L 0 8 根据扩散理论计算后得 出：一个经破碎后成为 5 0 n m的碳化物完全可以在 0 1 ms 内溶入基体中去 1 4 关于钢中“白亮带”的讨论 与基体材料相比，有时绝热剪切带具有一定的抗蚀性，称其为“白亮带”过去人们 认为这种“自亮带”内的组织为未回火马氏体，但 T E M 观察与分析表明“白亮带”

16、微观 组织 内很少有马氏体的存在从表 1 所列 的绝热剪切带微观组织可以证 实其抗蚀的原 因，表 1 中原始组织基本相同的HY一 1 0 0 钢动态扭转(-1 0 s )形成的绝热剪切带侵蚀 后没有“白亮”特征，而弹道冲击(一1 0 1 0 S )形成的绝热剪切带则有“自亮”特征 它们的微观组织差异主要在于：前者在等轴细晶的界面上分布有相对较粗的球状碳化 物；后者则是单一的等轴细品组织同列于表 1中的 A LS 4 3 4 0 钢原始组织都相同，但“自亮”特征不明显的绝热剪切带所对应的微观组织内含有 F e s C：碳化物，而“自亮”特 征明显的绝热剪切带对应的微观组织也是单一的等轴细晶组织

17、么由单等轴细晶组 成的绝热剪切带具有较高的抗蚀性便成为必然的了 Na k k a l i l R 踟对片状珠光体组织的 钢中绝热剪切带的研究也得出了类似的结论 匕 述结论还可以解释其它实验现象，如文献c 用同样试验方法(弹道冲击)对不同原 始组织(退火、正火、淬火、淬回火)钢试验后发现；原始组织为淬火或淬 回火态的钢更 容易形成具有“自亮”特征的绝热剪切 带 用 E 述结论解释则是 由于淬火(或淬回火)态组 织更细一些，相同试验条件下细小的碳化物更容易溶入基体使绝热剪切带成为单相组 缌 从钢 中绝热剪切带微观组织可以推测其强化机制钢种和试验条件的不同，使得到 琦 绝热剪切带的微观组织也不相同(

18、见表 1)，那么由此推测的演化机制也不会相同 这 正是许多学者争论的焦点(1)表 1中所列的 HY 一 1 0 0，A I S 1 4 3 4 0 钢，其绝热剪切带微观组织内没有残余奥氏 维普资讯 http:/ 3 3 2 华北工学院学报 1 9 9 5 年第 4 期 体 可以推测绝热剪切时温度并未进入奥氏体区或者即使进入奥氏体区 其时间也极 短没有引起奥氏体相变“这种条件下绝热剪切带内微观组织演化只能通过高度变形和 伴随温度上升共同作用来完成，其相应的演 化机制应为动态回复f 1 _、动态再结晶和应变 诱发相变 I 5 (2)同样列于表 1中的 2 8 N C D 6 3 5 N C D 1

19、 6 钢，其绝热剪切带微观组织内有残余奥 氏体可以推测绝热剪切时温度进入奥氏体区域 但其微观组织却与从 铁素体加液相 的液固两相区冷却后得到的组织相类f 以 倘若绝热剪切时温度上升到液一 固两相区形成 局部熔化状态，那么超速冷却(1 0。1 0 s)会使得其微观组织中分布有一定数量的准 晶(甚至非晶)组织，但 目前为止还未见有这种结论的文献报导 上述这种由不同的做观结构推出不同的演化机制是客观存在的由于试验条件、构 件的几何形状姒及材料成分、原始组织不同，会使得绝热剪切时局部应变、应变率和温 度上升也相应有较大的差异 此外不同条件的绝热剪切又会使其相变温度又不 同程度地 偏离平衡条件下的相变温

20、度，再加上合金元素的影响就会使得绝热剪切带的演化机制愈 加复杂目前还无法使它们统一起来 因此这种争论还会持续下去，有待于进一步细致 的研 究 2 结论 绝热剪切带微观结构 T E M 观察和分析表明：带中心是由等轴细晶为基体的组织组 成，这与以形貌分析得出的结论有较大 的差异这些研究使人们对绝热剪切带微观结构 有了比较深刻的认识尽管对其演f 二 机制还有一些争论，但对全面认识绝热剪切这一热 力学失稳现象有非常重要的意义 参考文献 1 Le eS，ChoK M a n dKi m K CM e t a l l Tr a n s A，1 9 9 3 2 4 A：8 9 5 8 9 0 2 Le e

21、C G，Le eY J a n d Le e SS c r i p t aMe t a 1 9 9 53 2：8 2 1 8 2 6 3 Me y e r sM A W i t t ma nC LMe t a l l TT a n s A1 99 0，2I A：3 1 5 3 31 6 1 d Ch oK，Chi Y C a n d Du ffy J Me t a l l Tt a n s A，1 9 9 0。2 1 A：1 1 6 I 7 5 5 Th no t hy S PAc t a M e t a l l。1 9 8 7，3 5：3 9 1 3 9 6 6 Ro g e r s H C

22、Sh o s t r yC VI n s h o c k W a v e s a n d Hi g h S t r a i n Ra t e Ph e n o me na i n M e t a l s(e d i t e d b yM e y-e r s M A a n d M u r r L E)2 8 5：PMn u m pr e s，Ne w Yo r k1 9 8 1 7 Le e c h P W Me t a R Tr a n s A，1 9 8 5 1 B A：1 9。0 1 9 0 3 8 Pa k H R，W i t t ma n C L a n d M e y e r s

23、M AM e t a u r g i c a l Ap c a t i o n s o f S h o c k W a v e s a nd H逗h S t r a i n R a t e Ph e n o me n ae d M u r r L E St a u dh a mme r K P a n d M e y e r s M A，M a r c e l De kk e r，Ne w Yo t k1 9 8 6 1 7 4 9 7 6 0 9 M e y e r s M A，P a k H RAc t a M e t Nl，1 9 8 6，3 4：2 4 9 3 2 4 9 9 1 0

24、Me-Ba r Y，S h e c h t ma n DM a t e r S c i En g1 9 8 3，5 8：1 8 1 1 8 8 l l G|e b eH A，P H R a n dM e y e r sM AM e t a l t T T a n s A，1 9 8 5，1 B A：7 B 1 7 7 5 1 2 An d r a d e U M e y e r s M A Ve c c hi o K SAc t a M e t a l l M a t e r，1 9 9 4，4 2：3 1 8 3 3 1 9 5 维普资讯 http:/(总第 5 2 期)金属材料中绝热剪切带

25、徽观结构综述(扬卓越等)3 3 3 l 3 St ee k T A CTh o mp s o n K R L M e t a TT a n s 1 9 7 0I 2 1 9 l 4 Ch o K M，Le e S，Nu t t S RAc t a Me t a l l M a t e r。1 9 9 3，4 1：9 2 3 9 3 2 l 5 Le e SCho K M，Le e C SM e t a l l Tr a n s A，1 9 9 3，2 4 A：2 2 1 7 2 2 2 4 l 6 W i t t ma n C L，Me y e r sM A a n d P a kH RMe

26、t a l lTT a n sA 1 9 90 2 1 A 7 0 7 7 I 6 l 7 Be a t t y JH，M e y e r L W M e y e r s M A S h o c k W a v e s a n d Hi g h St r a i n Ra t e P he n o m e n a i n M e t a l s，M e ye r s M A，Mu r r L E a n d St a u d h a mme r K Pe d s M a r c e 1 De k k e r，I n c Ne w York，Ny，I 9 9 2。6 4 5 6 5 6 1 8

27、De r e p J L Ac t a M e t a l 1 1 9 8 7,3 51 2 4 5 1 2 4 9 1 9 Me u n i e r YR o u x R，Mo ore a u d工 S h o c k Wa v e s an d High S t r a i n Ra t e P h e n o me n a i n Me t a l s，Me y e r s M AM u r rL E a n d St a u d h a mme r K P，e d s Ma r c e 1 De k k e rl n c，Ne w Yo r kNY，1 9 9 2 6 3 7 6 4

28、2 0 Na k k a l i l RAc t a Me t a l i M a t e r，1 9 9 1。3 9：2 5 5 3 2 5 6 3 2 1 Zu r e k A KM e t a l l M a t e r Tr a r s A 1 9 9 4，2 5 A：2 4 8 3 2 4 8 9 THE REVI EW OF THE M I CROSTRU CTU RE oF A DI ABATI C SH EA R BAN DS I N M ETALLI C M ATERI ALS 1-Zh n o yue Zha o Jmp (No r t h C h i n a I n s

29、t i t u t e o f Te c h n o l o g y，T a i y u a n 0 3 0 0 5 1)Abs t r a c t I n t i ffs p a pe rt he T EM r e s e a r c h r es uhs o n t he m i c r t ln l c t ur e of a d i a b a t i c s h e ar b a n d(AS B)i n v a r iou s me t a l l i c ma t e r i a l h a v e b e e n r e v i e we d Th e s e ha v e m

30、 a J nl y de a l t wi t h mi c r t r u c t ur a 1 c ha r a c t e r ist i c o f A SB。t he dc us s i on o f t he n a t u r e o f“whi t e-et c hi ng b a n d”i n s t e e1 t h e e v ol ut i o n m e c ha n i s m a n d t he c o nt r o-v er s y c o r r e s p on di n g t o t h e me c ha ni s m The r e vie we

31、 d r es ul t s ha v e s hown t ha t t he c e n t r a l s t r u c t u r e o f AS B c o n s i s t ma i n l y o f ver y fin e e q u i a x i a l g r a i n s(1 ess t h e n 0 5 u m i n d i a me t e r)a n d t h a t t h e n a t u r e o f“wh i t e-e t c h i n g b a n d”i n s t eel i s n o t t h e p ar t i c

32、ul a r i ndi c a t i o n of unt e m pe r i n g m a r t e ns i t e M e a nwhi l ei t ha s b ee n p r ove d t o b e e xt r e me l y i na c c u r a t e t h a t p r e vio u s L v，AS B h a d b e e n c l a s s i f i e d i n t o“de f o r me d b a n d o r“t r a n s f o r me d b a n d o n t h e b a s i s o f AS B s a p p e a r a n c e Ke y wo r ds t he r m a 1 i n s u t a t i o n：s he a r b a nd；m i c r c st r u ct ur e 维普资讯 http:/