高温高应变率下纯钼动态力学性能与失效行为

高温高应变率下纯钼动态力学性能与失效行为于金程，秦丰，钱王欢，田学锋，陈玉平（无锡职业技术学院机械技术学院，江苏无锡214121）摘要：为了研究纯钼在高应变率下的动态力学性能及失效行为，采用分离式Hopkinson 压杆试验装置（SHPB）对纯钼在室温及高温下进行了动态压缩实验，并利用扫描电子显微镜（SEM）对冲击压缩后的试样进行了断口分析。

结果表明：在冲击压缩载荷作用下，纯钼的动态压缩力学性能随温度的升高而降低；在已测试的温度下，室温应变率为1800 s-1时纯钼具有相对较大的动态压缩屈服强度（1110 MPa）和相对较大的动态抗压强度（1087 MPa）；在800℃应变率为2000 s-1时纯钼具有相对较大的应变量（17.6%）；而在300℃应变率为2200 s-1时纯钼具有较好的综合动态力学性能；高温、高应变率下纯钼的动态压缩断裂机制为准解理断裂。

关键词：高应变率；SHPB；纯钼；动态力学性能；失效行为中图分类号：TG146.4 文章标示码：ADynamic Mechanical Properties and Failure Behavior of Pure Molybdenum at High temperatures and High StrainRatesYU Jincheng, QIN Feng, QIAN Wanghuan, TIAN Xuefeng, CHEN Yuping （School of Mechanical Technology, Wuxi Institute of Technology, Wuxi, 214121, China）Abstract: For investigating the dynamic mechanical properties and failure behavior of pure molybdenum under high strain rates, Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) was utilized at ambient temperature and high temperatures. The specimens after dynamic compression were analyzed by scanning electron microscopy (SEM). The results show that, the dynamic compressive properties of pure molybdenum decrease when temperature rises. Under the test temperatures,at ambient temperature and strain rate of 1800 s-1pure molybdenum has the relatively largest dynamic compressive yield strength (1100 MPa) and relatively largest dynamic compressive strength (1087 MPa). At 800℃ and strain rate of 2000 s-1 pure molybdenum has the relatively largest strain (17.6%). At 300℃and strain rate of 2200 s-1pure molybdenum hasexcellent comprehensive dynamic mechanical performance. The dynamic compressive mechanism of pure molybdenum is mix-fractured quasi-cleavage at high temperatures and high strain rates.Key words: High strain rates；SHPB；pure molybdenum；dynamic mechanical property；failure behavior钼及钼合金具有熔点高、高温强度和高温硬度高、热膨胀系数小、导热与导热性能好以及优良的耐酸碱性能，被称为“能源金属”，被广泛应用于钢铁、航空航天、核电、石油冶炼、光伏产业及风力发电等领域，且在上述大部分应用领域没有直接替代品[1-3]。

我国是全球最大钼资源和钼产品生产国，截至2014年末，全球钼矿储量为11000千吨，我国作为全球最大的钼资源国，储量为4300千吨，大力发展钼资源和钼产品对我国具有格外重要的战略意义。

目前，对钼及钼合金的相关研究主要集中在高纯化[4-6]、合金化[7-10]和成形工艺上[11-13]，并且所测试的力学性能试验大多是在应变率较低的静态实验条件下完成的[14-16]。

由于钼及钼合金具有强度高、变形温度高，塑性差等特点，使得钼及钼合金变形过程困难，在高速轧制、高速挤压等新的成形工艺的探究上，缺少必要的变形参数（应变、应变率和温度等）基础。

目前国内对高应变率下纯钼的动态力学性能相关研究较少。

国外Geremy等[17]对多晶钼材料进行了准静态试验和泰勒杆撞击试验，发现了多晶钼材料具有拉-压不对称性和变形各向异性。

Martina 等[18]对纯钼进行了高温动态拉伸试验和室温动态压缩试验，在高温动态拉伸试验中，纯钼具有应变率效应和热软化效应；室温动态压缩试验中纯钼只表现出应变率效应，而该研究尚缺少高温下的动态压缩测试实验。

为此，本文以纯钼为研究对象，基于附带加热装置的分离式Hopkinson压杆(Split Hopkinson Pressure Bar, SHPB)实验加载技术[19,20]，研究高应变率下温度对纯钼的动态压缩力学性能的影响，既可以完善纯钼及钼合金的高速变形理论，又可以通过提高变形速率的方式来降低纯钼产品制备时的变形温度，从而为纯钼板、棒、丝材的生产、成形及制备的工艺改善提供技术指导和依据。

1 材料及实验方法1.1 实验材料本实验所用纯钼由宝鸡市天宇稀有金属有限公司制备，原材料为φ16×800 mm圆柱棒材。

动态压缩试样为圆柱形，其尺寸为φ8×6 mm，并沿纯钼圆柱棒材轴向制备动态压缩试样。

1.2 实验方法采用附带加热装置的SHPB设备进行高应变率的冲击压缩实验，实验设备如图1所示。

动态冲击压缩实验的波导杆选用φ10×900 mm 的弹簧钢杆，选用的应变片型号为BF120-1AA ，其应变片灵敏系数为 2.11±1%，其应变片电阻值为120.0±0.1Ω。

通过对SHPB 实验条件的控制，使得动态冲击压缩实验满足的应变率范围为2000 s -1左右的恒应变率实验。

针对目前纯钼轧制板材的成形温度一般为900℃~1400℃[11-13]，纯钼的静态力学性能测试温度大都为室温（20℃~25℃）~900℃[14-16]，因此本实验设计实验分别在高温800℃、高温1000℃、中温（300℃）及室温（20℃~25℃）四个温度下进行。

图1 高温分离式Hopkinson 压杆装置示意图Fig.1 Schematic of high temperature split hopkinson pressure barSHPB 的实验数据原理是建立在一维应力波假定和试件应力均匀分布假定两个基本假定的基础上。

而根据一维应力波假定，可以直接利用一维应力波理论来处理应力波数据[21,22]，确定试件材料的应力σ()t 、应变ε()t 和应力率ε()t ：0()()2i r t A t E A σεεε=++ (1.1)00()()t i r t C t d tl εεεε=--⎰ (1.2)00()()i r t C t l εεεε=-- (1.3)式1.1、1.2和1.3中，C 0为弹性波波速（m/s ），A 为波导杆截面积（m 2），A 0为试件截面积（m 2），l 0为试件长度（m ）。

试验中可以直接测量到的是εi 、εr 和εt ，再依据公式1.1、1.2和1.3通过数据处理，便可以计算出试样的应力σ()t -应变ε()t 关系和应变率ε()t 的大小。

2 结果与讨论2.1 动态压缩力学性能图2为不同温度、应变率大小相接近的纯钼动态压缩真应力-真应变曲线。

在室温时，纯钼的动态压缩的真应力-真应变曲线的真应力在开始阶段迅速升高；然后进入明显的动态屈服阶段，真应力有着明显的下降；随着真应变的继续增大，真应力逐渐缓慢升高，直至到达真应力极限，试样发生断裂。

在300℃时，纯钼的动态压缩的真应力-真应变曲线与室温下时的具有相似性，只是真应力在数值上相对变小；在动态屈服阶段，真应力下降幅度也变小；随着真应变的继续增加，真应力达到一个相对稳定数值的稳态阶段。

而在800℃和1000℃时，两个温度下纯钼的动态压缩的真应力-真应变曲线基本相同，真应变升高的幅度明显小于室温和300℃下，高温强度大幅下降；并且真应力-真应变曲线没有明显的动态屈服点，表现出连续动态屈服的变形特征；随着真应变的继续增加，真应力都逐渐的缓慢升高，直至试样断裂，变形结束。

图2 不同温度、相近应变率下纯钼动态压缩真应力-真应变曲线Fig.2 Dynamic compressive true stress—true strain curves of pure molybdenum at differenttemperatures and at similar strain rate在室温和300℃时，高应变率下纯钼在动态压缩变形时间较短，变形过程中的位错塞积得不到消除，从而使得形变抗力增大，发生应变硬化和应变率硬化作用，真应力-真应变线性阶段具有较大的斜率，形变硬化率较高，真应力快速增加；除了加工硬化作用，金属在塑性变形过程中也同时存软化作用，而高应变率下纯钼的变形时间大大时间缩短，纯钼不能及时软化，软化作用较弱，虽然软化作用使得形变抗力出现短暂下降，真应力-真应变曲线出现下移，但是动态硬化作用仍占据主导地位。

当达到一定的应变时，加工硬化和动态软化速率相等时，即表现为真应力相对稳定不变的稳态阶段。

随着变形程度的增加，位错密度越来越大，位错之间互相缠结、塞积，阻碍滑移，最终使得纯钼具有相对较高的动态压缩强度性能。

随着温度的大幅升高，升高到800℃和1000℃时，此时原子热运动的幅度陡然增大，原子热运动剧烈，纯钼原子间的结合力下降，导致塑性变形抗力降低，这是纯钼的高温动态强度降低的原因之一；同时，虽然纯钼的熔点最高可达2620℃，但在800℃左右时纯钼就可以产生再结晶作用[23]，由于温度升高，空位、位错等金属缺陷的运动会变得剧烈，容易发生空位的运动、位错的滑移和攀移，位错在热激活和外应力的作用下发生运动和合并重组，使得纯钼在动态压缩变形过程中发生动态回复，当应变增大到临界值时发生动态再结晶，动态回复和动态再结晶的热软化作用可以抵消塑性变形时产生的应变硬化以及应变率硬化作用，导致真应力-真应变线性阶段斜率变小，形变硬化率降低；同时，动态再结晶形核率也是受热激活所控制[24,25]，温度越高，动态再结晶的形核率和晶粒长大速率越大，动态再结晶程度就越大，动态软化作用越明显，这是导致纯钼的高温动态强度急剧降低的原因之二，也是主要原因。