肖大武，邱志聰，巫祥超，何立峰

(中國工程物理研究院材料研究所,四川 江油 621908)

金屬鈹的壓縮變形行為*

肖大武，邱志聰，巫祥超，何立峰

(中國工程物理研究院材料研究所,四川 江油 621908)

利用材料試驗機及Hopkinson桿裝置系統開展熱等靜壓金屬鈹在不同溫度下的靜動態(tài)壓縮力學行為研究，獲得了溫度、應變率對金屬鈹屈服強度和加工硬化行為的影響規(guī)律。結果表明：金屬鈹在壓縮應力狀態(tài)下呈現出良好的塑性，同時其力學性能具有顯著的應變率敏感性與熱軟化效應，屈服強度和流動應力隨應變率提高呈明顯增大趨勢，隨著溫度升高逐漸降低。同時，室溫下其加工硬化行為隨著應變增大表現為分段硬化特征，隨溫度升高則趨于理想塑性。最后，采用修正的Johnson-Cook本構模型對實驗結果進行了擬合，模型計算結果與實驗結果吻合較好。

固體力學；修正Johnson-Cook本構模型；材料試驗機；SHPB；鈹

金屬鈹具有中子散射截面大、吸收截面小、硬度高、模量高、比強高、熱學性能良好等特性，因此被廣泛應用于航空航天、軍事工業(yè)、醫(yī)療設備、焊接技術等多個技術領域，如中子反射層，反應堆第一壁材料、中子慢化劑，航空航天結構部件、精密儀表、光學器件及X射線管窗口等。國外已開展大量金屬鈹的變形行為研究，而國內開展的相關研究較少，且主要集中在常溫靜態(tài)拉伸性能方面，對其壓縮力學行為尤其是動態(tài)壓縮特性方面報道較少[1-9]。王零森等[1]研究了晶粒尺寸對鈹靜態(tài)拉伸力學性能的影響，發(fā)現隨著晶粒度逐漸細化，鈹材料的強度顯著提高，而晶粒過粗或過細，延伸率均下降。許德美等[2-3]研究了組織缺陷對金屬鈹室溫拉伸斷裂行為的影響，其分析結果表明鈹的“脆性”特征主要來源于雜質、片狀晶體疏松和孔洞等初始缺陷，最關鍵因素是雜質的尺寸、間距和其在材料內部的分布形態(tài)。W.R.Blumenthal等[4-5]對不同制備工藝下的鈹進行了較為系統的研究。實驗結果表明，鈹的壓縮應力應變響應具有較強的應變率敏感性和一定的熱軟化效應，并指出孿生是高應變率下鈹變形的主要機制。D.W.Brown等[6-8]系統開展了應變率對熱壓和軋制鈹的力學性能和變形機理的研究工作，分析結果表明屈服強度對應變率不敏感，而加工硬化則受織構的影響具有較強的率相關性。T.Nicholas[9]和D.Breithaupt[10]研究了鈹在常溫102～103s-1應變率下的動態(tài)壓縮性能，結果表明鈹具有良好的塑性，應變增大至0.25時樣品才發(fā)生斷裂。由此可見，國外開展的相關研究工作重點關注制備工藝、溫度、應變率等條件對金屬鈹滑移及孿晶變形機制的影響研究，獲得描述金屬鈹變形織構行為的本構模型參數。國內開展的研究則主要圍繞金屬鈹靜態(tài)拉伸應力狀態(tài)下的“脆性”行為的微觀變形機制，對其壓縮行為研究工作較少，尤其是動態(tài)加載下溫度、應變速率對其變形行為的影響未見相關研究報道。

本文中利用材料實驗機及Hopkinson桿裝置系統開展了熱等靜壓金屬鈹在不同溫度、應變率下的壓縮力學行為研究，獲得金屬鈹壓縮載荷下強度、塑性與實驗溫度、應變率之間的對應關系。并采用Johnson-Cook本構模型對獲得的應力應變曲線進行擬合，模型計算結果與實驗結果吻合較好。

1 實驗材料及方法

鈹在機加后表面會有較大的殘余應力，為了消除殘余應力對測量結果的影響[11]，室溫力學實驗前對樣品進行了蝕刻處理，蝕刻劑配方為：H3PO4，750 mL；H2SO4，30 mL；Cr2O3，71 mg；H2O，200 mL。蝕刻方法為將鈹試樣放入酸洗液約50 s取出，用蒸餾水等清洗干凈。

靜態(tài)力學實驗在CMT5105型材料試驗機及其配置的高溫真空爐中進行，高溫爐溫度控制精度為±3 ℃，真空度優(yōu)于1×10-2Pa，試樣在1 h內加熱到規(guī)定溫度，保溫15 min后開始實驗，應變率為1.0×10-3s-1，測試溫度范圍為室溫至800 ℃。動態(tài)壓縮實驗采用?10 mm的Hopkinson桿裝置。試樣為?5 mm×5 mm的圓柱體，應變率范圍為0.5×103～2.5×103s-1,在常溫下進行。

2 實驗結果與分析

圖1所示為鈹在不同溫度下的準靜態(tài)壓縮實驗結果。由圖1應力應變曲線可以看出，金屬鈹在室溫至800 ℃的溫度范圍內壓縮變形具有良好的塑性。屈服強度和流動應力隨實驗溫度升高而降低，加工硬化行為也隨之降低。圖2所示為不同固定應變下的流動應力隨實驗溫度的變化。由圖中可以看到，在室溫至200 ℃時，不同固定應變下流動應力均下降較快，高于200 ℃時流動應力下降趨勢變緩，呈線性下降特征。當實驗溫度高于400 ℃時，不同應變下的流動應力值基本一致，這表明此時材料的塑性變形行為趨于理性塑性流動。

圖1 金屬鈹在準靜態(tài)條件下應力應變關系Fig.1 Relation between stress and strain under quasi-static condition

圖2 金屬鈹在準靜態(tài)條件下流動應力隨溫度變化曲線 Fig.2 Relation between flow stress and temprature under quasi-static condition

圖3 金屬鈹的動態(tài)壓縮力學行為Fig.3 The dynamic compressive behavior of beryllium

圖3所示為鈹的動態(tài)壓縮實驗結果?？梢钥闯觯數那姸群图庸び不袨殡S應變率增大而顯著增大，在初始變形階段，加工硬化行為呈現非線性特征，隨變形量增大，轉變?yōu)榫€性硬化。由文獻[4]可知，準靜態(tài)和動態(tài)加載下，金屬鈹的塑性變形控制機制有顯著區(qū)別。與大多數對稱性低、滑移系統少的密排六方晶系金屬一樣，由于晶體的取向不利于發(fā)生滑移，孿生成為鈹塑性變形的重要方式。在初始變形階段，變形機制由位錯滑移控制，隨著變形增大，位錯滑移困難，通過孿生協調變形，尤其在動態(tài)加載過程中，晶粒內部將產生大量的孿晶，由于滑移與孿生機制的競爭導致了不同應變率、不同應變下金屬鈹屈服強度和加工硬化行為的顯著區(qū)別。

3 本構模型

Johnson-Cook模型是目前應用最廣泛的本構模型之一，模型中將流動應力表述為應變硬化效應、應變率效應和溫度軟化效應的乘積，方程的基本形式如下：

(1)

而由圖1～3中的應力應變曲線可以看到，不同溫度或應變率下鈹的應力應變曲線呈發(fā)散趨勢，傳統的Johnson-Cook本構模型已不適用。因此，本文中采用一個修正的Johnson-Cook本構模型對實驗數據進行擬合，在應變硬化項中增加屈服強度溫度相關線性函數，同時參考Zerrilli-Armstrong本構模型中描述hcp晶體結構材料變形硬化的函數關系式,在冪指數應變硬化項中添加應變率指數硬化項和溫度指數軟化項，分別描述溫度、變形歷史對材料屈服強度和流動應力的影響，以及流動應力隨應變率明顯的增加趨勢,其表達式為：

(2)

和傳統Johnson-Cook模型相比，修正模型中增加了4個參數。取準靜態(tài)應變率10-3s-1為參考應變率，Tm=1 557 K。本構擬合參數為：A=424 MPa,B=1 010 MPa,A1=1.487,B1=0.107 3,B2=0.885 4,n=0.485,α=0.000 39,β=-13.83,C=0.015。

采用修正模型計算結果與實驗結果對比如圖4所示，實線為采用修正Johnson-Cook本構模型的計算結果?？梢钥吹剑Ｐ偷挠嬎憬Y果與實驗結果符合較好，修正后的Johnson-Cook本構模型能夠較好地描述金屬鈹在不同溫度、應變和應變率下的壓縮變形行為。

圖4 修正Johnson-Cook模型計算結果與實驗結果對比Fig.4 Comparison of experimental results with calculated results by modified Johnson-Cook model

4 結 論

本文中研究了較寬溫度范圍和應變率下熱等靜壓金屬鈹的壓縮力學行為。結果表明鈹的屈服強度和加工硬化行為隨應變率的提高而顯著增大，隨溫度的升高而降低。常溫下其加工硬化行為在初始變形階段呈現非線性特征，隨變形增大轉變?yōu)榫€性硬化。溫度高于400 ℃時，其變形行為趨于理性塑性流動?？紤]溫度、變形歷史對材料屈服強度和加工硬化的影響，對Johnson-Cook模型進行了修正，修正后的本構模型預測結果和實驗結果吻合較好。

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[3] 許德美,秦高梧,李峰,等.BeO雜質形態(tài)與分布對金屬鈹力學性能的影響[J].中國有色金屬學報,2011,21(4):769-776. Xu Demei, Qin Gaowu, Li Feng, et al. Effects of morphology and distribution of BeO impurity on mechanical properties of metal beryllium[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2011,21(4):769-776.

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[10] Breithaupt D. Dynamic compressive strain rate tests on two types of beryllium[R]. Lawrence Livermore National Laboratory, 1983.

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(責任編輯 王易難)

Compressive deformation behaviors of beryllium

Xiao Dawu, Qiu Zhicong, Wu Xiangchao, He Lifeng

(InstituteofMaterials,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Jiangyou621908,Sichuan,China)

The quasi-static and dynamic compression behavior of beryllium was investigated by using MTS and SHPB at different temperatures. Investigated results show that beryllium exhibits excellent plasticity under compression. Sensitive to the changes in temperature and strain rate, the yield point and flow stress of beryllium have an marked tendency to increase with the increase of the strain rate, and to decrease gradually with the rise of temperatures. At the same time, the work hardening behavior of beryllium exhibits a piecewise hardening feature as the strain increases at room temperature, and tends to become smooth as the temperature rises. Finally, a modified Johnson-Cook constitutive model was developed to predict the deformation behavior of beryllium over a wide range of temperatures and strain rates. The calculation results of the model are in good agreement with those achieved from the experiment.

solid mechanics; modified Johnson-Cook constitutive model; material testing machine; SHPB; beryllium

10.11883/1001-1455(2016)02-0285-04

2014-12-03；

中國工程物理研究院科學技術發(fā)展基金項目(2013B0301048)

肖大武(1983— )，男，博士，副研究員，hopkinson@163.com。

O347 國標學科代碼： 1301575

A

修回日期： 2015-06-09