1、DOI：10.11883/bzycj-2022-0074内部爆炸作用下 20 钢柱壳的变形及相变*李满江1,2，赵志豪1,2，董新龙1,2，付应乾2，俞鑫炉3，周刚毅1（1.宁波大学机械工程与力学学院，浙江宁波315211；2.宁波大学冲击与安全工程教育部重点实验室，浙江宁波315211；3.宁波大学科学与技术学院，浙江宁波315211）摘要：研究冲击波作用下金属微观组织变化对于理解柱壳结构在高应变率下的变形及破坏极为重要。实验通过对 20 钢金属柱壳在内部爆炸载荷作用下的爆炸回收碎片截面进行微观分析，探讨冲击波作用下材料的组织演化、相变特征，同时使用有限元方法对柱壳膨胀断裂过程中的热力学特征
2、进行分析。研究发现：20 钢柱壳近内表面满足 相变热力学条件的有限深度区域内，晶粒内可见明显的平行滑移线分布特征；电子背散射衍射揭示了平行滑移线区域内组织碎化，且存在112111和332113两种孪晶，同时平行滑移线的碎化组织区域中存在密排六方晶格（HCP）的 相结构，而试样原始组织及爆炸后除试样壁厚内部（03.0mm）区域外均未见 相结构残留。分析认为：冲击过程中发生了 相变；相变引发的材料性能改变将可能影响断裂破坏过程；考虑冲击波作用下金属材料动态相变对结构变形与破坏的影响，对这类柱壳变形及破坏的精密物理模拟具有重要意义，有必要开展进一步研究。关键词：20 钢柱壳；爆炸膨胀；微观分析；相变
3、中图分类号：O382国标学科代码：13035文献标志码：ADeformation and phase transformation of 20 steel cylindersdriven by inner explosionLIManjiang1,2,ZHAOZhihao1,2,DONGXinlong1,2,FUYingqian2,YUXinlu3,ZHOUGangyi1(1.Faculty of Mechanical Engineering and Mechanics,Ningbo University,Ningbo 315211,Zhejiang,China;2.Key Laborator
4、y of Impact and Safety Engineering,Ministry of Education,Ningbo University,Ningbo 315211,Zhejiang,China;3.College of Science and Technology,Ningbo University,Ningbo 315211,Zhejiang,China)Abstract:Studying the microstructure evolution of metals subject to shock waves is significant for understanding
5、thestructuraldeformationandfailuremechanismofsuchapipeunderaveryhighrateofloading.Themicrostructureevolutionandphasetransformationcharacteristicsofthematerialundertheactionofshockwavearediscussedthroughthemicroscopicanalysisofthecross-sectionofexplosiverecoveredfragmentsof20steelcylindricalshelldriv
6、enbyexplosiveexpansion.Thefiniteelementmethod(FEM)alsowasusedtosimulatetheexplosionexperimentof20steelcylindricalshellundertheconditionofPETNchargeandtoanalyzethecylindricalshellsthermodynamiccharacteristicsduringtheexpansionfractureprocess.Theresultsshowthatthe-gransnearthecylindersinnersurfacecont
7、ainnumeroussliplines,distributedinparallel.TheFEMsimulationindicatesthattheseregionsmeetthephasetransitionthermo-dynamiccondition.Furthermore,electronbackscattereddiffraction(EBSD)analysisofthemicrostructureoftheregionswithparallelslipslinedemonstratestheformationofastronglyfragmented.Andthereare332
8、113twinsand112111twins.Atthesametime,the*收稿日期：2022-03-01；修回日期：2022-11-04 基金项目：国家自然科学基金（11932108，11672143）；冲击与安全工程教育重点实验室开放课题（CJ202013）第一作者：李满江（1998），男，硕士研究生， 通信作者：董新龙（1964），男，博士，教授，博士生导师，第43卷第1期爆炸与冲击Vol.43,No.12023年1月EXPLOSIONANDSHOCKWAVESJan.,2023013105-1phasestructureofthehexagonalclose-packedlatt
9、ice(HCP)existsinthefragmentedstructureareaoftheparallelslipline.However,therewasnoresidualphasestructureintheoriginalstructureofthesampleandtheareaexceptforthesamplewallthickness(inner03.0mm)aftertheexplosion.Analysisdeemsinwhichthetransformationoccurred.Thechangeofmaterialpropertiescausedbyphasetra
10、nsformationmayaffectthecylindricalshellsinternalstressandstrainstateandthefractureprocess.Consideringtheimpactofthedynamicphasetransitionofmetalmaterialsonthedeformationandfailureofstructuresundershockwaves,itissignificanttoaccuratelysimulatethedeformationandfailureofsuchcylindricalshells,anditisnec
11、essarytofurtherstudytheinfluenceofphasetransformation.Keywords:20steelcylinder;explosivelyexpanding;microscopicanalysis;phasetransformation低碳钢等金属柱壳在爆炸载荷作用下的高应变率膨胀变形及碎裂过程研究一直受到学者们的广泛关注，研究内容涉及柱壳在爆炸作用下的变形断裂过程、模式及其影响因素、碎裂分析模型等1-15。在这些研究中，大量关注集中在爆炸前后材料的组织演化，如高应变率下材料的绝热剪切演化3,8-10、不同热处理下材料微观组织改变等对断裂模式和机理的影
12、响研究4-5,12,14，而关于材料冲击相变对柱壳膨胀断裂影响的研究相对较少。现有研究表明，纯铁、Ni、Pb、Zn、Sn 及钛等合金在高压、高温下会发生动态相变，其中，又以纯铁在约 13GPa 时的（BCC）（HCP）相变最为大家了解。高压下铁的 动态相变现象最早是由 Minshall16和 Bancroft 等17在飞片撞击实验中得到的 Hugoniot 曲线上发现的，该相变过程随后通过静高压实验结合同步 X 射线衍射图谱分析得到了证实18。由于这种相变在冲击波卸载后存在逆相变，难以在回收样品中直接观察证实。因此，人们一直从不同角度对动态相变发生的过程、机制开展微观研究19-23，希望能从逆
13、向转变的微观结构特征中找到该相变发生的相关特征信息19-20,23。如Meyers 等19使用塑性炸药在钢板表面爆炸后，在显微镜下观察到炸药与钢板的接触表面上发生相变的区域，金相组织会呈黑色，而未发生相变的区域呈亮色，并且发现经历相变的区域微观硬度显著增加，为动态相变的判读提供了重要参考。近年来，一些关于（BCC）（HCP）（BCC）相变微观机制研究表明，相变过程中也会在最终的逆相变的 相中留下诸如位错、滑移及孪晶等微观特征痕迹，这又为动态相变判读提供了有益的途径20,23-24。对纯铁冲击相变过程的研究表明：转变为瞬时位移相变，特征时间仅为 550ns25-26，转变激发的相变波以及组织演化
14、会对材料动态性能、破坏过程产生影响27-33，如 Ivanov 等29、Zurek 等30和 Voltz 等31-32在层裂实验中发现在高于相变压力和低于相变压力的冲击载荷下分别出现光滑层裂和粗糙层裂现象，Ressguier 等33在激光冲击加载铁样品层裂实验中也发现相变的样品层裂面较为光滑。柱壳在膨胀断裂过程中也经历了高压高温状态，其部分区域可能会发生冲击相变，进而对柱壳断裂过程产生影响。柱壳外爆碎裂是一个材料和结构经历高应变率塑性大变形的复杂过程。在冲击波作用下金属柱壳壁厚方向上不同位置会经历不同的热力学状态，柱壳内部是否会发生相变还不清楚，有待进一步研究。本文中，拟通过实验手段对 20
15、钢柱壳在低爆炸载荷作用下柱壳的变形和相变开展研究：通过物理实验研究膨胀柱壳的微观演化特征，如使用光学显微镜观察柱壳截面爆炸前后金相组织形貌，维氏硬度计表征沿试样厚度方向微观组织的显微硬度变化，电子背散射衍射（electronbackscattereddiffraction，EBSD）技术观测爆炸碎片截面不同位置的微观组织晶粒尺寸特征、物相以及晶粒内部的孪生情况，同时采用有限元方法研究柱壳膨胀过程中柱壳内部压力波的演化、塑性应变的发展以及不同位置热力学状态。从多角度探讨柱壳爆炸膨胀过程不同阶段材料的正向和反向相变特征、微观组织演化、塑性变形及裂纹演化特征，以期为柱壳变形及破坏的精密力学模拟分析提
16、供借鉴。1 实验设计 1.1 试样及装药研究所用材料为 20 钢，其中各元素质量分数为：Fe，98.70%；C，0.2%；Si，0.17%；Mn，0.35%；Ni，0.30%；Cr，0.25%。对材料退火处理，原始组织为 铁素体和 P 珠光体组织，如图 1(a)所示。EBSD 分析第43卷李满江，等：内部爆炸作用下20钢柱壳的变形及相变第1期013105-2显示：组织晶粒取向较为均匀，如图 1(b)所示。晶粒尺寸分布在 2038m 范围，平均尺寸约为 23m，如图 2 所示，初始状态下未见孪晶。为分析膨胀变形过程中柱壳在冲击波作用下的微观组织结构演化，设计具有较大壁厚尺寸的柱壳试样，其内径为 20mm、壁厚为 10mm、高 80mm。为方便碎片回收，有利于对碎片截面微观分析，选择填塞较低爆压特性的炸药。采用滑移爆轰加载方式，从“雷管+副炸药”一端起爆，加载原理如图 3 所示。炸药采用 PETN 太安粉末，均匀压实为20mm80mm 的药柱，药柱外表面紧贴柱壳内壁装配而成，炸药密度约为1.16g/cm3，采用探针法测试得到的爆速 D6200m/s。忽略不同炸药的化学性质及爆炸产物的影响，