三种超高强度钢的动态力学性能

G31，它们的热处理工艺及力学性能如表 1 所示。采 用 4 mm × 4 mm 圆柱形试样分别进行准静态压缩和 动态压缩试验，准静态压缩试验的应变速率控 制 在 10 － 3 s － 1 ，动 态 压 缩 试 验 的 应 变 速 率 控 制 在 1000 ～ 5000 s － 1 范围内。由于试样尺寸较小，对试样的垂直 度、水平度和端面光洁度提出了较高的要求，以尽量减 小试验误差。动态压缩试验是在分离式霍普金森压杆 装置上进行的，其简单装置示意图如图 1 所示，该压杆 的工作原理即装置中有两段分离的弹性杆，分别为入 射杆 1 和透射杆 2。将试样夹在入射杆和透射杆之间，
摘要： 利用分离式霍普金森杆（ SHPB） 对 3 种超高强度钢 G54、A100、G31 的动态压缩性能进行了研究，并对微观组织进行了观察分 析。结果表明，在应变速率 10 － 3 ～ 1000 s － 1 范围内，A100 和 G54 钢高应变速率敏感性比较高，G31 钢高应变速率敏感性较低； 在应 变速率 1000 ～ 5000 s －1 范围内时，A100 和 G31 钢的高应变速率敏感性较高，G54 钢的高应变速率敏感性较低。3 种超高强度钢中， 绝热剪切敏感性最低为 G31 钢，G54、A100 钢的绝热剪切敏感性接近。 关键词： 超高强度钢； 动态压缩； 高应变速率敏感性； 绝热剪切敏感性 中图分类号： TG142． 7 文献标志码： A 文章编号： 0254-6051（ 2014） 12-0083-04
（ a） G54 steel； （ b） A100 steel； （ c） G31 steel； （ d） stress-strain curves of quasi static
度钢的流变应力并未增大，反而呈下降趋势，说明形变 强化的作用在减小，与材料的热软化现象有关。 2． 2 高应变速率敏感性规律
2． Special Steel Institute，Central Iron and Steel Ｒesearch Institute，Beijing 100081，China） Abstract： Dynamic compression properties of three kinds of ultrahigh strength steels （ G54，A100 and G31 ） were tested with the split Hopkinson pressure bar （ SHPB） ，and the microstructure of the steels was observated． The results show that in the 10 －3 -1000 s －1 range of strain rate，the strain rate sensitivity of A100 and G54 steel is relatively higher，and that of G31 steel is lower，in strain rate range of 10005000 s －1 ，the strain rate sensitivity of A100 and G31 steel is higher，but that of G54 steel is lower． In the three kinds of ultrahigh strength steel，the adiabatic shear sensitivity of G31 steel is lowest，but that of G54 and A100 steel has little difference． Key words： ultra high strength steel； dynamic compression； high strain rate sensitivity； adiabatic shear sensitivity
表 1 三种超高强度钢的力学性能及热处理工艺 Table 1 Mechanical properties and heat treatment process
of three kinds of ultrahigh strength steel
Ｒm / Ｒp0． 2 / A / Z / 硬度 / 钢号
2． 4 微观组织的观察与分析 对经过热处理及动态压缩后的试样进行研磨抛光，
用体积分数为 4% 的硝酸酒精侵蚀后进行微观组织的 观察，如图 5 所示。图 5（ a ～ c） 分别为 G31、G54、A100 钢被击碎试样绝热剪切带的显微组织，可以看出，绝热 剪切带沿剪切方向形成一条贯穿整个剪切区的“白亮 带”。绝热剪切带中的组织十分细密，剪切变形流线呈 现出明显的方向性，剪切带与基体组织的边界不平整， 呈现一种过渡的形貌。在相同加载条件下，剪切带宽度 越窄，绝热剪切敏感性越高。由图 5 看出，G31 钢的绝 热剪切带宽度明显比 G54 和 A100 钢宽，因此 G31 钢的 绝热剪切敏感性最低。苏铁健等［5］研究了钢的强导比 （ 强度与热导率的比值） 对绝热剪切敏感性的影响，结果 表明，材料的强导比高，绝热剪切敏感性高； 反之则绝热 剪切 敏 感 性 较 低，不 易 发 生 绝 热 剪 切 破 坏。G54 和 A100 钢的合金含量均比 G31 钢高，因此对应的导热系 数较低，但它们强度均高于 G31 钢，从而强导比较高，也 就容易形成绝热剪切带。Q Li等［6］研究了 AISI4340 钢 在 Hopkinson 压杆冲击下绝热剪切带的形貌，结果表 明，绝热剪切带的出现与钢的硬度及微观组织有关，硬 度越高越容易出现剪切带。文献［7］研究表明，随着钢 的强度和硬度增加，钢中剪切带的密度增加，表现为绝 热剪切敏感程度增加。G54 和 A100 钢的强度和硬度均 高于 G31 钢，因此 G54 和 A100 钢抵抗塑性变形的能力 较大，材料变形区域更为集中，由塑性变形热造成局部 区域温升更高，同时，硬度高导致材料形变硬化指数降 低，使材料热软化程度增加，则更加容易形成绝热剪切 带，故它们的绝热剪切敏感性均高于 G31 钢。
MPa MPa % % HＲC
热处理制度
1060 ℃ × 1 h，OQ + （ － 73 ℃） G54 ≥1965 ≥1655 ≥10 ≥55 ≥53
× 1 h，AC + 515 ℃ × 8 h，AC 885 ℃ ×1 h，OQ + （ － 73 ℃） × A100 ≥1600 ≥1340 ≥11 ≥50 ≥50 1 h，AC + 480 ℃ × 5 h，AC 930 ℃ × 1 h，OQ + 260 ℃ × G31 ≥1700 ≥1330 ≥8 ≥50 ≥45 2 h，AC
第 39 卷 第 12 期 2014 年 12 月
HEAT TＲEATMENT OF METALS
wenku.baidu.com
Vol. 39 No. 12 December 2014
三种超高强度钢的动态力学性能
秦玉荣1，2 ，苏 杰2 ，杨卓越2 ，丁雅莉2 ，宁 静2 ，刘建雄1
（ 1． 昆明理工大学 材料科学与工程学院，云南 昆明 650093； 2． 钢铁研究总院 特殊钢研究所，北京 100081）
图 1 SHPB 装置示意图 Fig． 1 Sketch of SHPB device
第 39 卷
2 试验结果及分析
2． 1 应力-应变曲线 图 2（ a ～ c） 分别为 G54、A100、G31 钢在高应变速
率动态加载下的真应力-应变曲线，可以看出，随着应 变速率的提高，材料的流变应力也逐渐提高。图 2（ d） 为 G54、A100、G31 钢在准静态压缩下真应力-应变曲 线。与准静态条件下相比，在应变速率 1000 ～ 5000 s －1 范围内，随着应变速率的提高，3 种超高强度钢均具有 明显的应变速率强化效应，即应变速率敏感性； 同时可 以看出，在高应变速率下随着应变的增加，3 种超高强
Fig． 2
图 2 3 种超高强度钢压缩过程真应力-应变曲线
（ a） G54 钢； （ b） A100 钢； （ c） G31 钢； （ d） 准静态应力-应变曲线
True stress-strain curves of the three kinds of ultrahigh strength steel during compression process
本文利用霍普金森压杆（ SHPB） 研究了三种超高 强度钢 G54、A100、G31 的动态压缩力学性能，并结合 准静态试验数据分析了三种超高强度钢的高应变速率 敏感性，采用冲击加载后破坏的试样研究了其绝热剪 切敏感性。
1 试验材料及方法
试验选用的三组超高强度钢分别为 G54、A100、
收稿日期： 2014-05-10 作者简介： 秦玉荣（ 1987—） ，女，硕士研究生，主要研究方向为钢铁材料 的组织与性能，E-mail： qyr4446@ 126． com。通讯作者： 杨卓越，教授，联 系电话： 13911661362，E-mail： yangzhuoyue@ nercast． com doi： 10． 13251 / j． issn． 0254-6051． 2014． 12． 022
表征量。绝热剪切临界应变越小，材料的整体塑性变 形量越小，绝热剪切敏感性越高［4］。图 4 为 3 种超高
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第 12 期
秦玉荣，等： 三种超高强度钢的动态力学性能
超高强度钢是在合金结构钢的基础上发展起来的， 该类型钢具有高的强度、韧性以及良好的疲劳性能等特 点，广泛应用于航空、航天和常规武器领域［1-2］。此类钢 在部分应用中往往要承受较大的冲击载荷，现有研究表 明，材料的动、静态力学性能和失效机理具有较大的差 异，而且这种差异与钢种直接相关。因此，研究每种超 高强度钢在高速加载条件下的力学性能、失效机理并与 其他相关材料进行比较，对于新材料的设计、现有材料 动态性能的优化、设计选材均具有十分重要的意义。
所谓材料对应变速率的敏感性通常以给定应变下 其高应变速率的流动应力 σD 与准静态流动应力 σS 之差或其相对增加率来表征［3］。图 3 为 3 种超高强度 钢的流动应力 σD 与应变率之间的变化关系曲线，根 据拟合后曲线可以看出在应变率 10 － 3 ～ 1000 s － 1 范围 内，A100 和 G54 钢敏感性比较高，G31 钢敏感性较低； 在应变率 1000 ～ 5000 s － 1 范围内时，A100 和 G31 钢的 高应变率敏感性较高，G54 钢的高应变率敏感性较低。 2． 3 绝热剪切敏感性
Dynamic mechanical properties of three kinds of ultrahigh strength steel
Qin Yurong1，2 ，Su Jie2 ，Yang Zhuoyue2 ，Ding Yali2 ，Ning Jing2 ，Liu Jianxiong1 （ 1． Faculty of Materials Science and Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming Yunnan 650093，China；
图4 Fig． 4
不同打击气压下三种超高强度钢的应力-应变曲线 Stress-strain curves of three kinds of ultrahigh strength
steel under different blow pressure
（ a） 0． 3MPa； （ b） 0． 4MPa
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强度钢在 2 个不同打击气压下的应力-应变曲线。从 图 4（ a） 可看到，在打击气压为 0． 3 MPa 时，G31 钢的 绝热剪切临界应变值大约为 0． 24，G54 和 A100 钢的 绝热剪切临界应变值在 0． 18 左右； 从图 4（ b） 可看到， 在打击气压为 0． 4 MPa 时，G54、G31 和 A100 钢的临 界应变值分别大约为 0． 24、0． 32、0． 25； 当材料的应变 超过临界应变时，材料的流变应力开始大幅度下降； 综 合 3 种超高强度钢的绝热剪切临界应变值，可得到 3 种 超高强度钢中绝热剪切敏感性最低的是 G31，G54 和 A100 钢的绝热剪切敏感性相差不大，但都高于 G31 钢。
注： OQ—油淬，AC—空冷
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84 与压杆端面充分接触，以保证应力波传播过程中无散 射发生。利用压力阀以一定速度发射子弹，撞击入射 杆产生压缩应力波，通过入射杆和透射杆上粘贴的应 变片记录 3 个脉冲（ 入射、反射、透射） 的连续应变-时 间曲线。根据一维应力波理论，计算出材料的动态应 力-应变关系。
根据动态压缩应力-应变曲线，以流变应力开始大 幅度下降时所对应的应变作为材料绝热剪切敏感性的
图 3 3 种超高强度钢的流动应力与应变速率之间的关系 Fig． 3 Ｒelationship between flow stress and strain rate of the
three kinds of ultrahigh strength steel