退火与未退火高纯无氧铜的层裂特性研究

摘要

层裂现象是冲击载荷作用下材料发生动态拉伸破坏的典型形式之一，材料从损伤发展到断裂跨越了微观、细观到宏观的近十个尺度量级，涵盖了不同尺度上的动力学过程。普遍认为延性金属材料层裂是经过了微孔洞的成核、长大和贯通（聚集）等典型物理力学过程。目前的研究表明材料学因素（如材料微观结构不均匀性、位错和缺陷浓度、单晶与多晶、晶粒形状与尺寸、夹杂以及内应力等）和冲击加载条件（如应力波波形、加载应力大小、应变率、拉伸时间、温度以及多维应力效应等）均影响材料层裂的过程和结果。材料在加工或使用过程中经常会引起多方面因素的变化，如塑性变形、老化及热处理等过程的不同会导致材料内部微观结构的差异。本文在前人的研究和认识基础上以典型延性金属高纯无氧铜作为研究对象，开展了退火和未退火高纯无氧铜层裂特性的实验研究，同时关注了样品在未完全和完全层裂时的层裂破坏状态及其特征。论文的主要工作和创新点归纳如下:
　　1.在实验技术上，论文建立了多点测量技术并对层裂样品的不同区域点上自由面速度进行了测量。多点测量采用多路多圈的阵列式多普勒探针系统(DPS)光纤探头，可实现在平面样品上任意点的布局。通过对自由面速度剖面的特点进行统计分析，了解材料内部细观局域性能对层裂产生的影响，反应材料层裂的统计情况。同时，由于开展层裂实验的需要，论文建立了一种新型低冲击应力加载装置。该装置采用网络爆轰驱动飞片的技术，实现了一维平面应变加载。该装置应用于层裂实验研究既可对样品自由面速度剖面进行测量，又可实现样品的软回收。
　　2.开展了退火和未退火高纯无氧铜的层裂实验研究，通过改变飞片的速度，采用点阵DPS技术测量了样品自由面速度剖面，对高纯无氧铜样品退火和未退火实验的结果进行了比较和分析。总体上，波形呈现出相似和典型的损伤或层裂信号，冲击压缩加载阶段的幅值和时间段基本相同，然而从速度的回跳时刻开始出现了一些明显的差异:退火无氧铜的“Pullback”回跳速度值明显高于未退火无氧铜的值;退火无氧铜的回跳速率和波谷后速率也均高于未退火无氧铜的值。完全层裂时退火无氧铜的层裂强度比未退火无氧铜的高约20％～25％。这些结果表明退火无氧铜在受到动态加载时比未退火无氧铜较难于发生损伤和断裂，能够承受的动态拉伸应力较后者高。分析认为这种现象的原因可能是无氧铜在退火时晶体内位错密度降低、晶体间缺陷浓度减小，加工硬化消除以及残余应力减小等因素使得在受到拉伸作用时孔洞成核点减少，导致退火和未退火无氧铜在受到相同的拉伸脉冲时，退火无氧铜的层裂较难于发生。
　　3.对样品多点DPS数据进行分析发现，在相同样品的不同测试位置上测得的自由面速度剖面有明显的差异。回跳速度和样品完全层裂时的层裂强度也并不是一个单值。分析认为这可能与材料的组织状态，如材料内部晶粒度尺寸、取向、杂质、微孔洞等分布不均有关。将回跳速度和层裂强度用Weibull分布进行统计，统计结果表明，随着加载应力的增加，回跳速度的Weibull模量逐渐增大，分散性逐渐减小，即初始层裂时回跳速度的分散性大于完全层裂时的情况。这表明在拉伸应力较小时，孔洞簇在成核和长大过程中分布不均匀，而拉伸应力脉冲足够强时，孔洞簇的成核、长大以及贯通的过程更加迅速，能够很快形成较均匀的层裂面。同时，随着加载应力的增加，回跳速度也逐渐增加，但增幅不大。另一方面，比较未退火和退火无氧铜分散性差异时，发现前者的回跳速度和层裂强度的分散性较后者低，表明未退火无氧铜的断裂过程更加迅速。其次，在无氧铜层裂的自由面速度剖面中还发现在到达第一个波谷后，自由面速度剖面出现了小振荡。分析认为这种振荡可能与损伤或断裂后应力波的能量释放率、层裂面反射压缩波与稀疏波的竞争关系或孔洞簇成核长大的速率不均等因素有关。对波谷后速度振荡的分析还发现:未退火无氧铜的振荡较退火无氧铜小;而且振荡随着拉伸应力脉冲的强度增大而逐渐消失。这些结果表明如果材料的断裂过程发生得越“干脆”，则速度回跳时振荡越小。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 延性金属动态拉伸断裂研究简介

1．3 层裂破坏的主要物理力学过程及其影响因素

1．3．1 微孔洞成核、长大、连通

1．3．2 影响延性金属层裂的材料学因素

1．3．3 退火热处理对材料性能的影响

1．4 本论文的研究目的和主要内容

第二章 平面层裂的实验原理与方法

2．1 实验样品与飞片设计准则

2．1．1 平面层裂的波系作用过程

2．1．2 样品／飞片的宽厚比设计

2．1．3 加载应力与时间计算

2．2 实验加载与诊断

2．2．1 平面飞片的驱动及速度控制

2．2．2 点阵DPS测试技术

2．3 实验样品的制备

2．3．1 退火与未退火高纯无氧铜材料简介

2．3．2 层裂实验样品制备

2．4 本章小结

第三章 平面层裂的实验装置及实验参数

3．1 网络爆轰驱动的平面层裂实验装置

3．1．1 爆轰驱动飞片的原理和方法

3．1．2 实验装置设计与计算模拟

3．1．3 飞片实验测量与标定

3．1．4 网络爆轰驱动的平面飞片及层裂实验装置

3．2 一级气体炮驱动的平面层裂实验装置

3．2．1 一级气体炮驱动的平面飞片

3．2．2 一级气体炮的平面层裂实验装置

3．3 退火与未退火高纯无氧铜平面层裂的实验参数

3．4 本章小结

第四章 退火与未退火高纯无氧铜层裂实验结果与特性分析

4．1 退火与未退火高纯无氧铜层裂实验结果

4．1．1 退火高纯无氧铜层裂实验结果

4．1．2 未退火高纯无氧铜层裂实验结果

4．2 自由面速度剖面的对比分析

4．2．1 回跳速率与波谷后速率的差异

4．2．2 层裂强度的差异

4．3 回跳速度的统计分析

4．3．1 回跳速度的Weibull分布

4．3．2 回跳速度、Weibull模量与加载应力的关系

4．4 层裂过程中的几种现象讨论

4．4．1 脉冲宽度随加载应力的变化

4．4．2 “Spall Peak”速度随加载应力的变化

4．4．3 回跳信号中的速度振荡现象

4．4．4 边侧稀疏现象

4．5 本章小结

第五章 全文总结与展望

5．1 全文总结

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

申请的专利

参加的课题

致谢