电子束熔炼钒合金动态压缩实验及细观分析

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(1．中国工程物理研究院总体工程研究所，四川 绵阳 621900； 2．工程材料与结构冲击振动四川省重点实验室，四川 绵阳 621900)

1 引 言

钒合金具有低的辐照活化性、优良的机械性能、与锂的强兼容性、高的热传导率以及优良的抗辐照性能，在核聚变反应堆的壁层设计和壳体设计中备受关注[1-2]。国内外对钒及钒合金已进行了多方面的研究，其中众多工作集中于材料制备和环境因素对材料性能的影响[1-6]：如合金、杂质元素以及热处理工艺对合金性能的影响，钒合金的氢脆、氦脆性能，钒合金的高温氧化问题，中子辐照、离子辐照等。在力学性能方面，Aglan[7]等研究了钒合金的疲劳破坏行为，Rowcliffe[8]研究了应变率对V-4Cr-4Ti拉伸性能的影响，张方举[9]等研究了应变率对V-5Cr-5Ti合金拉伸性能的影响，胡文军[10]等研究了温度对V-5Cr-5Ti合金拉伸性能及组织结构的影响，Nemat-nasser、Guo[11-12]等研究了商业纯钒在77K到880K温度范围内的压缩力学性能，Xie Ruoze[13]等研究了电弧熔炼V-5Cr-5Ti的高温力学性能，研究表明：电弧熔炼V-5Cr-5Ti合金具有明显的应变率效应和动态应变时效现象。

目前国内外对钒合金的动态力学性能及其变形机制研究报道较少，而在产品全寿命周期中，结构和材料将不可避免地经受动态加载的考验，研究钒合金的动态力学性能及变形模式，对产品设计以及产品的安全运行具有很大的意义。谢若泽[14-15]等对电弧熔炼V-5Cr-5Ti的动态压缩细观变形机制进行了研究，结果表明，其动态压缩细观变形机制与应变量密切相关，在不同的应变范围内表现出不同的变形机制；同时对纯钒的动态压缩力学性能进行了实验研究，并与电弧熔炼钒合金进行了比较。

本文以常温下的电子束熔炼钒合金V-5Cr-5Ti(以下统称为电子束熔炼钒合金，EBM vanadium alloy)为研究对象，采用应变冻结的方法，在SHPB上对材料进行不同变形量的动态加载，并利用金相显微镜对加载后的试件进行观察，研究不同变形范围下的材料细观变形机制，考察变形量对变形机制的影响，并与电弧熔炼钒合金的细观变形机制进行了比较。

2 实验材料

实验所用材料为由北京有色金属研究总院提供的电子束熔炼钒合金。选取纯度为99.92%的钒、99.9%的铬和零级钛，采用真空电子束熔炼获得合金铸锭，铸锭经均匀化退火，退火工艺为：1100℃，保温2h，真空度≤5×10-2Pa；然后采用真空包套封焊后经热锻压开坯、热锻压变形加工、叠压，再经热处理后获得合金产品。合金成分见表1。其中热锻造工艺为：锻前加热，1150～1200℃，保温100min，每道次变形量≤20%；热处理工艺为：退火温度为1000℃，保温1.5h，真空度≤5×10-2Pa。

表1 V-5Cr-5Ti合金成分 Table 1 Alloy composition of V-5Cr-5Ti

3 实 验

3.1 实验设备

实验在SHPB系统上进行。系统的波导杆均为18Ni-350马氏体时效钢杆，直径为22mm，输入杆长为960mm、输出杆长为960mm。加载设备为空气炮，撞击杆与波导杆材料相同，长300mm、直径22mm。

弹丸的撞击速度由激光测速系统测定。在输入杆、输出杆的中间位置各对称粘贴两片应变片，其敏感栅丝方向与杆的轴线方向一致，实验应变信号由各应变片分别接受，通过动态应变仪进行信号放大后由示波器记录。动态应变仪为CX2008型，其频带宽为DC～1MHz；采用TEK-TDS3014B数字存储示波器记录波形，其频带宽为DC～500MHz，系统频响可以满足SHPB的测试要求。

应变片电阻为120Ω，灵敏系数为2.17；应变放大器的桥压为4V，数据采集系统的标定值为1V对应369με。

3.2 应变冻结法

在实验中，部分试件的变形将采用应变冻结法加以限制，以获得指定的应变值。所谓应变冻结法，即用一个长度小于试件原始长度的钢制套环(限位环)，套在试件的外面，实验时冲击加载使试件产生变形，当试件长度压缩到与套环长度相同时，大部分加载由套环承受，试件不再产生大的变形，从而限制试件的变形，即应变冻结，如图1所示。限位环材料通常选用强度较高的金属。

图1 应变冻结法示意图Fig.1 Schematic of “strain frozen” test

3.3 实验设计

根据SHPB的具体情况，将试件设计为直径为10mm，长5mm的圆柱形试件。根据试件尺寸，设计了多种高度的限位环，外径为22mm，内径为13mm，高度分别为4.8、4.6、4.4、4.0、3.6、3.4和3.0mm等。

设计了两种类型的实验：无限制变形实验和限制变形实验。①第一类，在气室气压1.0MPa、撞击杆速度30.2m/s的加载条件下(试件应变率为3600s-1)，对试件进行无变形限制的加载，获得了该条件下的动态压缩应力应变曲线；②第二类，与①相同的加载条件下(试件应变率为3600s-1)，实验采用应变冻结法，利用高度各不相同的限位环对试件的变形量进行限制，完成了限制变形实验，获得了限制变形条件下的动态压缩应力应变曲线。

在不加限位环的第一类实验中，试件自由变形，应变可达50%；在限制变形量的第二类实验中，各限位环对应的试件应变分别为4%、8%、12%、20%、28%、32%和40%。

对两类实验后的试件进行解剖和光学显微镜观察，获得了材料在不同变形下的组织特性。

4 实验结果与讨论

4.1 试件变形情况

电子束熔炼钒合金试件实验前为圆柱形，两种类型实验后表现出相同的变形特征，即试件除在长度方向被压缩外，在直径方向出现了不同程度的扩展，试件表现出明显的变形不均匀性，体现了试件材料的各向异性。图2为电子束熔炼钒合金无限制变形实验前后的试件图。

图2 电子束熔炼钒合金无限制变形试件对比图(a) 实验前； (b) 实验后Fig.2 EBM vanadium alloy specimen before (a) and after (b) the unlimited deformation test

4.2 无限制变形实验

根据一维应力波理论，对该实验所得的入射波、透射波和反射波进行处理，得到试件的工程应力和工程应变，进而计算得到试件的真实应力σ和真实应变ε，从而获得材料的应力-应变-应变率关系。

图3 电子束熔炼钒合金动态压缩应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of EBM vanadium alloy under dynamic compression

图3给出了该加载条件下三个试件的动态压缩应力-应变曲线，各试件的平均应变率约为3600s-1。如图所示，在该应变率下其流变应力(指试件发生5%真应变时所对应的真实应力)的平均值约为700MPa。

4.3 限制变形实验

在气室气压为1.0MPa、子弹速度为30.2m/s的加载条件下，采用应变冻结法，利用高度分别为4.8、4.6、4.4、4.0、3.6、3.4和3.0mm的限位环对试件变形进行限制变形实验。

高度为4.8、4.6、4.4、4.0、3.6、3.4和3.0mm的限位环分别对应试件应变为4%、8%、12%、20%、28%、32%和40%，试件在不加限位环的无限制变形实验中则自由变形，应变可达50%以上。图4给出的是图3中No.3号试件的全程应力-应变曲线，以及各限制变形实验所获得的应力-应变曲线。当限制应变较小(8%)时，获得的应力-应变曲线不理想，故忽略。图4中有五条曲线的尾部上扬，上扬部分表示试件变形量达到限制应变，限位环对变形产生了限制。曲线上扬部分是试件和限位环共同作用的结果，并不代表试件真实的应力应变曲线，上扬部分起始点前端的曲线才是真实有效段。

图4 应变率约为3600s-1时电子束熔炼钒合金的限制变形实验应力-应变曲线Fig.4 Stress-strain curves of the EBM vanadium alloy specimens in the limited deformation test at the strain rate of 3600s-1

4.4 变形前后合金组织观察

在前期的工作中[14]，已对电弧熔炼钒合金在限制变形实验后的试件进行了金相观察(图5)，研究了材料的变形机制。当应变在20%以下时，其金相组织中产生了大量的准静态实验中没有出现的孪晶组织，但当应变为28%和50%时试样中的孪晶组织急剧减少甚至消失，这表明在常温准静态下钒合金的塑性变形与常规的体心立方金属相同，以位错滑移的方式进行；而在高应变率情况下，应变较小时，塑性变形则以孪生变形的方式为主。随着应变的增大，由于孪生后变形部分的晶体位向发生改变，可使原来处于不利取向的滑移系转变为新的有利取向，这样就可以激发起晶体的进一步滑移，导致孪生的概率减小[16]。

图5 电弧熔炼钒合金应变率为3600s-1时不同应变压缩后的金相形貌照片(a)ε=4%; (b)ε=10%; (c)ε=20%; (d)ε=28%; (e)ε>50%
Fig.5 Metallograph of arc smelting EBM vanadium alloy at strain rate about 3600s-1

图6(a)为电子束熔炼钒合金原始试件的纵截面金相形貌照片，(b)为横截面的金相形貌照片。从(a)图可见，原始材料的金相组织为等轴钒基固溶体，晶粒大小不均匀，粗晶边界夹杂着细晶，细晶粒尺寸在40～100μm之间，粗晶尺寸约在300μm左右。但右图显示，在部分区域存在条晶，晶体组织不均匀，不同晶体的尺寸甚至有数量级的差别，且晶粒的排布具有一定的方向性，这就导致了材料宏观变形存在一定的各向异性。

图6 电子束熔炼钒合金原始材料金相形貌照片 (a) 纵截面； (b) 横截面Fig.6 Metallograph of original material of electron beam smelting EBM vanadium alloy (a) vertical section; (b) cross section

图7为本研究获得的电子束熔炼钒合金应变率在约为3600s-1时产生的不同应变动态压缩后的金相形貌照片。由图可见，在电子束熔炼钒合金的各种不同应变变形后，均未见出现大量的孪晶组织，更不存在随着变形增加而产生的孪晶减少和消失的过程；在不同应变量压缩后的金相组织中，观察不到明显的压缩变形晶粒组织，但是晶粒尺寸呈随变形量增大而变小的趋势，可能是随着压缩变形量的增加，压缩功转化为变形热，引起瞬间高温，导致晶粒组织发生回复再结晶，且由于作用时间较短，再结晶组织来不及长大，因此比原始组织细小。金相形貌表明该材料在常温下的塑性变形与常规的体心立方金属相同，是以位错滑移的方式进行的，没有向孪生变形转变的迹象，这与电弧熔炼V-5Cr-5Ti合金有着明显的不同。

5 结 论

图7 电子束熔炼钒合金应变率为3600s-1时不同应变压缩后的金相形貌照片(a)ε=12%; (b)ε=20%; (c)ε=28%; (d)ε=32%; (e)ε>50%
Fig.7 Metallograph of electron beam smelting EBM vanadium alloy at strain rate about 3600s-1

本文以常温下电子束熔炼钒合金为研究对象，采用应变冻结的方法，在霍普金森压杆上对材料进行不同变形量的动态加载，并对加载后的试件进行观察，考察变形量对变形机制的影响，研究了电子束熔炼钒合金与电弧熔炼钒合金在变形机制上的不同，结论如下。

1.电子束熔炼钒合金试件表现出一定的变形不均匀性，体现了各向异性。

2.当动态压缩应变率为3600s-1时，电子束熔炼钒合金的流变应力的平均值约为700MPa。

3.电子束熔炼钒合金中，观察不到孪晶组织以及明显的压缩变形晶粒组织，但是晶粒尺寸呈随变形量增大而变小的趋势，表明该材料在常温下的塑性变形是以位错滑移的方式进行，没有向孪生变形转变的迹象，这与电弧熔炼钒合金有着明显的不同。