DH36钢中的动态应变时效特性

［8］Nemat -Nasser S ，Li Jiangyu.Electromechanical response of ionic polymer -metal composites ［J ］.Journal of Applie Physics ，2000，87（7）：3321-3331．
［9］Bonomo C ，Fortuna L ，Giannone P ，et al.A method to charac -
terize the deformation of an IPMC sensing membrane ［J ］.Sen -sors and Actuators A ，2005，123/124：146-154．
［10］Shahinpoor M ，Kim K J.Ionic polymer -metal composites ：I.
fundamentals ［J ］.Smart Materials and Structures ，2001，10：819-833.
［11］金宁，王帮峰，卞侃，等.面粗化工艺对IPMC 的制备及性
能影响［J ］.功能材料，2008，39（11）：1933-1936.
DH36钢是一种熔点高、韧性好和可焊接性优良
的新型高强度船用钢，其力学行为近些年来已引起研究者的极大兴趣。

其中，DH36钢塑性流动中存在的异于静态“时效”和“PLC 锯齿屈服动态应变时效”的“第
3种动态应变时效”现象［1-2］是DH36钢的一个显著特性。

数十年来，研究者对静态应变时效和PLC 锯齿屈
服的动态应变时效现象和机理进行了大量的描述和解释，Kocks ［3］、Reed-Hill ［4］、Kaufman ［5］和Cho ［6］等人认为，这两种时效现象是由于金属材料在塑性变形的过程中，运动位错和溶质原子相互作用的效果。

钱匡武［7-10］
等人指出动态应变时效是金属和合金中移动着的溶质原子（如钢中的C 、N ）和运动中的位错发生交互作用时所表现的一种强化现象，而时效对金属疲劳、断裂等现象有很大影响。

总体来说，基于微观解释，静态应变时效是材料发生塑性变形后将其放置一段时间进行的时效过程，时效过程中溶质原子先向不运动的位错扩散，在位错附近或位错核形成的溶质气团使位错钉扎住。

这时如果施加的外力足够高，位错挣脱溶质原子的束缚即脱钉过程，应力-应变曲线上也就出现了两次加载屈服点；动态应变时效常常是指PLC 锯齿屈服现象，
DH36钢中的动态应变时效特性
刘风亮1，郭伟国1，孟卫华1，曾志银2，邵小军2
（1.西北工业大学航空学院，陕西西安710072；2.中国兵器工业第二0二研究所，陕西咸阳712099）
摘
要利用准静态试验机和Hopkinson 压杆装置对DH36钢在不同应变率和不同温度下的塑性流动应力进行试验研
究。

结果表明：预应变温度对DH36钢的力学性能有显著的影响；在动态应变时效温度区，出现时效强化所需时间较短；
DH36钢塑性流动中出现的动态应变时效是由于温度和变形达到一定程度时，曾在林位错周围形成的溶质气团会沿着聚
合的林位错通过管道扩散到运动位错处，并在位错附近形成溶质气团连续对位错形成拖曳，阻碍了位错运动，同时，在高温出现珠光体片间距减小，相界面增多，对位错运动的阻碍增大，因而也会导致塑性流动阻力提高。

关键词动态应变时效；DH36钢；应变率；微观结构；机理中图分类号TB31
文献标识码A
文章编号1004-244X （2010）04-0022-04
Dynamic strain aging characteristics in DH36steel
L IU Fengliang 1，G UO Weiguo 1，M ENG Weihua 1，Z ENG Zhiyin 2，S HAO Xiaojun 2
(1.School of Aeronautics ，Northwestern Polytechnical University ，X i ′an 710072，China ；2.No.202Research Institute of China
Ordnance Industry ，Xianyang 710099，China ）
Abstract To understand the dynamic strain aging phenomenon of DH36high -strength vessel steel at different temperatures and different strain rates ，and study its effects on mechanical properties ，the flow stress of DH36steel at different temperatures and different strain rates are experimentally studied by using universal material -testing machine and a split Hopkinson compression b ar.The results obtained are as following ：the pre -strain temperature has remarkably effects on mechanical properties of DH36steel ；In the temperature region of the dynamic strain aging ，the time for aging strengthening is very short ；The dynamic strain aging during the plastic flow of DH36steel is due to following reasons ，that is ，when the temperature and strain rate reach a certain exten t ，the solute atmospheres ever around forest dislocations will diffuse to the mobile dislocations along collective for -est dislocations by a pipe diffusion ，then the formation of the solute atmospheres right round the mobile dislocation continuously drags and resists dislocation motion ，meanwhile ，the pearlite spacing reduction at the high temperatures and increases of the phase interfaces also lead to increasing resistance to dislocation ，which further increase s resistance to the plastic flow.
Key words dynamic strain aging ；DH36steel ；strain rate ；microstructure ；mechanism
收稿日期：2010-04-12；修回日期：2010-06-01
基金项目：国家自然科学基金（10872169）；国家安全重大基础研究（973项目）（613116）；爆炸科学与技术国家重点实验室基金（KFJJ08-11）作者简介：刘风亮，女，在读硕士；主要研究方向为结构动力学及动态破坏分析。

E-mail ：lfl_zt@ 。

通信作者：郭伟国，男，教授，博士生导师。

E-mail ：weiguo@ 。

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!兵器材料科学与工程
ORDNANCE MATERIAL SCIENCE AND ENGINEERING
Vol．33No．4July,2010
第33卷第4期2010年07月
第4
期是一种变形与时效同时发生的过程，即塑性变形中位错的重复钉扎（出现不连续或重复的屈服），表现在应力-应变曲线上出现锯齿振荡。

“第3种动态应变时效”现象［1-2］特点是在某应变率和温度下整体应力-应变曲线随温度增加反而上升。

相比之下，对金属中所呈现的“第3种动态应变时效”现象［2］及其影响研究较少。

以国产DH36钢为研究对象，采用系统的中断试验法，比较中断前后不同温度历史下的变形特性，探讨“第3种动态应变时效”对DH36钢力学性能的影响，并利用电子扫描电镜对试验后材料的微观组织进行观察和分析，探讨这种时效产生的原因，并对其机理进行分析和讨论。

1第3种动态应变时效的特性
1.1试样及试验方法
材料为济南钢铁公司的DH36轧制钢板。

为避免机械加工对试样的影响，采用线切割电腐蚀加工方法，试样为准5mm ×5mm 的圆柱形，在静态材料试验机上进行不同温度下的低应变率压缩试验。

在具有进行高温高应变率耦合试验的分离式Hopkinson 压杆装置上进行高应变率试验。

为了检查试样的微观结构变化，将变形后的试样沿加载轴线切开，经研磨抛光。

用2mL 硝酸溶液和100mL 酒精溶液混合配制成的腐蚀液腐蚀抛光后的试样，在扫描电镜上进行显微观察。

1.2DH36钢的动态应变时效
金属塑性流动过程中由于热激活位错的运动，温度越高，金属的塑性流动应力会越低。

当对DH36钢在温度从200K 到750K ，应变率分别为0.001，3000s -1时所进行的塑性流动试验研究中，在室温稍高温度区会观察到一异常情况，见图1。

当应变率为0.001s -1时在温度573，673K 下的塑性流动应力比在350K 时高；随应变率提高到3000s -1时，仍然观察到在
800，900K 下塑性流动应力比600K 下高，见图2。

比
较图1、2也可知，当应变率提高时这个流动应力提高
的温度区移向更高温度。

这种异常现象就是所谓的“第
3种动态应变时效［2］”。

1.3中断试验及加载历史对力学性能的影响
从金属变形力学特性知，金属材料在加载-卸载-再加载的过程中普遍存在“静态应变时效”现象，时效的效果与时效的时间（试验中断停留时间）有直接的关系，时效时间越长效果越明显，时效后材料再屈服的应力会增加。

对此首先需验证这个中断时间（时效的时间）的影响程度，见图3。

当温度处在非时效区温度即
296K 时进行试验，1号试验在296K 和0.001s -1应变率下连续加载到40%，然后让2号试样在相同条件下首先加载到25%，停留（时效）不同时间后再加载，通
过几次试验得出若加载-卸载-再加载中断停留的时间在10min 之内时，中断后再加载的曲线和持续加载的曲线基本重合，也就是说“静态应变时效”效果可以忽略，图3中试样2的曲线与试样1曲线完全重合。

在后续的中断试验中，中断时间均控制在10min 以内以避免“静态应变时效”的发生。

为了考察温度和应变率历史对材料性能的影响，进行了3次有效连续加载试验及两次有效中断试验，中断时间均小于10min ，加载方式由表1给出。

首先进行3个连续加载试验，在77K 和0.001s -1
刘风亮等：DH36钢中的动态应变时效特性23
兵器材料科学与工程第33
卷
表1加载状态及方式
Table 1Loading conditions and ways
Sample No.Strain rate/s -1Temperature/K
Loading ways/%30.00177loading to 560.001
77
re-loading to 52
40.1296loading to 5450.001296loading to 5460.001296pre-loading to 200.1296re-loading to 467
0.001296pre-loading to 20下使3号试验加载到56%应变值；在296K 和0.1s -1下使4号试验加载到54%应变值；在296K 和0.001s -1下使5号试验加载到54%应变值。

这时让6号试样在与5号试样相同条件下加载到20%应变，卸载后再与
4号试样相同条件加载到46%应变，可看出后续加载曲线与4号试样完全相同，说明前段的加载历史不影响材料的性能，应力-应变曲线见图4。

为了进一步验
证此结论，进行7号试样的中断试验，发现中断后改变加载条件并没有影响材料的力学性能，这些结果也反映出加载历史不会使材料的微观结构发生显著演化或改变，同时也进一步验证了中断时间小于10min 不会对再加载的材料性能产生影响。

2动态应变时效对力学性能的影响
为检查DH36钢“第3种动态应变时效”对材料性能的影响，首先需确定这种时效发生的区域，对低应变率0.001s -1下的试验结果（图1）重新作图，如图5所示。

可以看出在应变率0.001s -1下DH36钢中第3种动态应变时效发生的区域在475~750K 之间。

在图6中，8号试样在296K 下变形20%后卸载，加热使其温度升到673K 再加载40%后卸载。

而9号试样在673K 后加载到20%后卸载，中断停留8
min 后再加载到40%后卸载。

从图知8号试样第2次加载屈服应力显著降低。

而9号试样在时效区温度673K 进行中断后第2次加载屈服点和流动应力明显
上升。

表明，DH36钢的动态应变时效与变形温度之间有很大关系，在时效温度区发生时效强化时间较短（即二次屈服点出现的时间），预变形温度对力学性能有显著影响。

3动态应变时效的微观特征
为分析加载后试样微观形貌的变化，先对DH36钢原始微观进行观察。

图7为DH36钢未变形时SEM 观察到的微观形貌，可以看出，DH36钢由珠光体和铁素体组成，其中珠光体是由铁素体和渗碳体组成的片层结构组织。

图8为DH36钢在应变率为0.001s -1，温度分别为296，350，673K 时连续加载后的微观形貌。

图8a 为296K 下变形40%时的微观形貌。

可以看
24
第4
期
出，珠光体数量较为稀疏，珠光体团的面积较小，珠光体呈片状，且片层比较分散、间距较明显。

图8b为在350K下38%时微观形貌，从图知，珠光体呈带状分布，珠光体的片层与296K时的片层相比分布较为密集，且间距有所减小。

图8c为在673K变形38%时材料的微观形貌，从图看出，珠光体密度增加，珠光体团的面积变大，而且片层间距明显变小。

在应变率相同和变形接近的情况下对试样进行了微观组织的观察。

发现当温度在时效区温度时，特别在时效应力峰值温度即673K处（见图8c），由于珠光体共析产生铁素体和渗碳体，珠光体周围的碳变得更富集并与铁素体再次交替产生片层密集的珠光体。

片层间距的减小，导致相界面增加，使位错运动的阻碍增加，为了克服位错阻力，从而使得材料流动应力增大。

更重要的是，根据溶质原子与位错运动的相互作用可知，金属在塑性变形过程中，当温度较低时，金属中的溶质原子往往跟不上运动位错，溶质原子气团无法对位错产生持续钉扎进而拖曳位错运动。

随着温度的升高，溶质原子的扩散速度逐渐可以赶上运动位错的速度，当温度到达时效区时，溶质原子可在位错周围形成溶质原子气团从而对位错产生连续的拖曳力。

进一步说，在一定的应变率下位错的运动速度一定，当溶质原子的扩散速度与位错运动达到一定匹配程度时会使溶质气团对位错的束缚达到最大值，因此位错要挣脱束缚就需要更大的应力，也就出现了时效应力的峰值。

如果温度更高，溶质原子扩散速度超过位错运动速度，持续拖曳力消失，所以会有一个时效温度区存在。

DH36钢中的“第3种动态应变时效”现象正是上述两种作用机制的叠加结果。

这样结合具体的试验结果和微观分析，DH36钢在较高温度出现动态应变时效的原因：1）在较高温度的塑性变形中，塑性流动主要受长程障碍的影响，位错的滑移运动常被大量聚合的远场林位错拘留，在高温状态，溶质原子扩散能力会增强，当温度和变形达到一定值时，曾在林位错周围形成的溶质气团会沿着聚合的林位错通过管道扩散到运动位错处［11］，并在位错附近形成溶质气团连续对位错形成拖曳，阻碍了位错运动，为了克服位错阻力，从而使得材料流动应力增大；2）DH36钢在673K时出现珠光体片间距减小，相界面增多，对位错运动的阻碍增大，因而也会导致塑性流动阻力提高。

4结论
DH36钢的预应变温度对材料的力学性能有显著的影响；在动态应变时效温度区，出现时效强化所需时间较短；DH36钢塑性流动中出现的动态应变时效是在较高温度下，溶质原子扩散能力增强，当温度和变形达到一定程度时，在林位错周围形成的溶质气团/原子沿着聚合的林位错通过管道扩散到运动位错处，并在位错附近形成溶质气团连续对位错形成拖曳，阻碍了位错运动，为了克服位错阻力，从而使得材料流动应力增大；另外，对DH36钢来说，在673K附近温度（动态应变时效温度区）出现了珠光体片层间距减小，即相界面增多，对位错运动的阻碍增大，导致塑性流动阻力提高。

5参考文献
［1］Nemat-Nasser S，Guo Weiguo.Thermomechanical response of DH-36structural steel over a wide range of strain rates and temperatures［J］.Mechanics of Materials，2003，35：1023-1047.
［2］Guo W G.Dynamics strain aging during the plastic flow of
刘风亮等：DH36钢中的动态应变时效特性25
随着航空工程中质量轻、性能佳的复合材料的应用日益广泛，复合材料结构健康监测成为摆在科研人员面前的重大课题。

现有的结构健康监测研究大多采
用神经网络［1］、遗传算法［2-3］等智能算法，旨在实现对损伤位置、程度等的在线精确评估，但在工程实际中，损伤监测往往具有模糊性和不确定性的特点，工程技术
metals ［J ］.Key Engineering Materials ，2007，340/341：823-828．
［3］Kocks U F ，Cook R E ，Mulford R A.Strain aging and strain
harddening in Ni -C alloys ［J ］.Acta Metallurgica ，1985，33（4）：623-638.
［4］Reed-Hill R E ，Kaufman M J.On evaluating the flow stress in
niobium of commercial purity ［J ］.Acta Metall Mater ，43（5）：1731-1739.
［5］Reed -Hill R E ，Park S C ，Beckerman L P.Application of a
model for strain aging under stress to niobium ［J ］.Acta Metal -lurgica ，1983，31（10）：1715-1720.
［6］Sang -Hyun C ，Yeon -Chul Y ，Jonas J J.Static and dynamic
strain aging in 304austenitic stainless steel at elevated
temperature ［J ］.J Mat Sci Letters ，2000，19：2019-2022.
［7］钱匡武，李效琦，萧林钢，等.金属和合金中的动态应变时效
现象［J ］.福州大学学报：自然科学版，2001，29（6）：8-23.［8］钱匡武，彭开萍，陈文哲.金属动态应变时效现象中的“锯
齿屈服”［J ］.福建工程学院学报，2004，4（1）：4-8.
［9］陈文哲，钱匡武，动态应变时效对奥氏体不锈钢纯弯疲劳强
度的影响［J ］.金属学报，1989，25（2）：132-136．
［10］彭开萍，陈文哲，钱匡武.动态应变时效对18-8型奥氏体
不锈钢持久强度的影响［J ］.福州大学学报，1991，19（1）：
72-77.
［11］Cheng J Y ，Nemat-Nasser S ，Guo W G.Auified constitutive
model for strain -rate and temperature dependent behavior of molybdenum ［J ］.Mechanics of Materials ，2001，33：603-616.
基于模糊推理的复合材料柔性梁损伤识别研究
黄烨，郑世杰
（南京航空航天大学航空宇航学院智能材料与结构航空科技重点实验室，江苏南京210016）
摘
要模糊理论具有处理不确定性信息的能力，在表征复杂的结构健康监测系统内、外部参数的类属、性态等的不精确、
不明晰性方面具有独特的优势。

为了监测复合材料层合结构的脱层损伤，引入以微观力学理论为基础的连续性损伤力学模型，提出用于模糊推理损伤监测系统的新的损伤表征参数，该损伤参数从脱层损伤的几何本质上描述脱层损伤的特性，比常规的以各方向弹性模量减少为特征的损伤表征更具有准确性和直观性。

建立基于新的损伤参数的模糊推理损伤监测系统，并将其应用于复合材料柔性梁的脱层损伤监测中，仿真算例表明该系统可以快速、准确地识别出结构损伤的位置和程度。

关键词复合材料；损伤识别；模糊推理；脱层损伤；损伤表征参数中图分类号TB381
文献标识码A
文章编号1004-244X （2010）04-26-05
Damage identification for composite flexible beams using a fuzzy logic system
HUANG Ye ，ZHENG Shijie
（The K ey L aboratory for Smart Materials &Structures ，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ，
Nanjing 210016，China ）
Abstract With the ability of handling uncertainty ，fuzzy theory has unique advantages in terms of charactering the internal and external parameters of complex structural health monitoring system ，which lacks accuracy and clarity in its generic ，behavior ，etc.In order to monitor delamination damage in composite laminated structures ，a continuum damage model based on micromechanics theory is used in this paper to propose a new damage parameter which could be used in fuzzy logic -based damage identification system.This damage parameter ，which describes the delamination damage from essential geometrical properties ，is more accurate and intuitive than the other damage parameters ，which characters damages with reduction of engineering modulus in different ing the new damage parameter ，a fuzzy logic -based damage monitoring system was constituted and applied to composite flexible beams in this paper ，and simulation examples show that this system can identify the location and extent of structural damages quickly and accurately.
Key words c omposite material ；d amage identification ；f uzzy logic ；d elamination damage ；d amage characterization parameter
收稿日期：2010-03-18；修回日期：2010-04-10
基金项目：国家自然科学基金项目（10772077）；重点项目（50830201）；中国航空科学基金（2007ZD52047）资助作者简介：黄烨，男，硕士生；主要从事结构健康监测。

E-mail ：yalemh1986@ 。

通信作者：郑世杰，男，博士，教授，博导；主要从事计算力学、结构健康监测、智能材料结构的力学分析等方面的研究。

E-mail ：sjzheng@ 。

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
兵器材料科学与工程
ORDNANCE MATERIAL SCIENCE AND ENGINEERING
Vol．33No．4July,2010
第33卷第4期2010年07月。