35CrMnSiA钢在高压高应变率下可逆相变的研究

面心立方FCC（Face-Centered Cubic）、体心立方BCC（Body-Centered Cubic）和密排六方HCP（Hexagonal-Closed Packed）是纯铁中常见的三种晶体结构。面心立方结构常见于γ-Fe中，体心立方结构常见于α-Fe中，密排六方-Fe常见于奥氏体层错能比较低的Fe-Mn-C、Fe-Mn-Cr-C、Fe-Ni-Cr-C等合金中。铁合金的晶格类型不同，原子排列的致密度也不同，面心立方晶格（致密度：0.74）和密排六方晶格（致密度：0.74）的原子排列较体心立方晶格（致密度：0.68）更为紧密，当铁合金在不同温度和压力作用下发生固态相变或晶格类型变化时，同时伴随体积变化，引起内应力和变形［314］。Bargen和Boehler［315］通过准静高压试验研究发现，铁在15.3 GPa压力作用下发生BCC→HCP（α→）固态相变。由于-Fe仅在高压（13 GPa以上）下稳定存在［316］，一旦冲击波卸载，可逆α→相变的逆过程→α发生，试件中无-Fe残留。因此，很难通过XRD和金相观察直接证明-Fe的存在［317］。本书拟通过XRD和金相观察从微观尺度研究并解释可逆α→相变对超高强度合金钢力学性能的影响。

7.5.3.1　XRD分析

采用D8 Advance X射线衍射（XRD）仪对回收的35CrMnSiA钢进行物相分析。取靶板中心纵向横截面为扫描面，试验采用Cu-Kα射线作为扫描光源，扫描速率为2.25°/s，扫描结果如图7.42所示。

图7.42　不同加载速度下35CrMnSiA钢的XRD检测结果

如图7.42所示，原始试样（撞击压力：0 GPa）与撞击压力为11.43 GPa（对应撞击速度：607 m/s）的回收试样的谱图相近，均在44.5°、64.7°和82°位置上出现3个特征峰，分别对应于α相（110）α、（200）α和（211）α。当撞击压力增加到19.19 GPa（对应撞击速度：1 240 m/s）时，所有峰强度显著下降，α相（200）α和（211）α因峰强太弱已观测不到。通过半峰宽值估算得到的晶粒尺寸从172（0 GPa）、185（11.43 GPa）减小到139（19.19 GPa），晶粒尺寸减小、内应力增加，造成衍射强度下降。此外，可以注意到在对应撞击压力为19.19 GPa的衍射图谱中，α相（110）α轻微右移，表明高压相变使晶体内残余压缩应力增加，导致晶格收缩。

7.5.3.2　组织损伤演化规律

平板撞击试验后，回收受损飞片与靶板，如图7.43所示。当加载速度低于1 240 m/s时，飞片与靶板均仅发生轻微挠曲和塑性变形，未见宏观可见裂纹。由于试验中未回收到1 733 m/s加载速度下的靶板，故无法判断35CrMnSiA钢是否在1 733 m/s的速度下发生断裂。

图7.43　平板撞击试验后回收受损飞片与靶板(www.xing528.com)

（a）撞击速度：325 m/s；（b）撞击速度：623 m/s；（c）撞击速度：1 240 m/s

为了进一步讨论高压高应变率下35CrMnSiA钢可逆α→相变的微观机制和组织损伤演化规律，通过光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）对回收靶板进行金相分析。如图7.44（a1）、图7.44（a2）、图7.44（b1）和图7.44（b2）所示，与图7.1所示原始试件组织形貌相比，325 m/s和623 m/s加载速度下靶板的金相组织形貌与原始组织无明显差异；如图7.44（c1）和图7.44（c2）所示，1 240 m/s加载速度下回收试件中观察到了明显的晶粒细化现象，马氏体板条束变得更加密实。与初始α相体心立方晶格相比，相变产生的新相是一种六角形的紧密结构，原子排列的致密度较体心立方结构更大。高速冲击压缩伴随着材料的热变形过程，在此过程中，亚晶界持续吸收位错，角度不断增大，最终由小角度晶界转为大角度晶界，消耗了大量的位错密度，并导致原始组织的细化，该过程也称为连续动态再结晶过程。扫描电子显微镜（SEM）下回收35CrMnSiA钢试件的组织形貌如图7.45所示。

如图7.45（d）所示，1 240 m/s撞击速度下的回收靶板中分布有大量微孔洞，表面有熔融和动态再结晶的痕迹，是冲击相变过程中热作用和体积突变的产物。超高强度合金钢的可逆α→相变一方面提高了材料的强度，另一方面，也显著降低了材料的塑性，导致微孔洞等局部缺陷出现。若冲击载荷持续作用于靶板，微孔洞将最终发展为微裂纹和宏观动态断裂。

图7.44　回收受损靶板的光学显微镜观察结果

（a）撞击速度：325 m/s（（a1）放大200倍；（a2）放大500倍）；（b）撞击速度：623 m/s（（b1）放大200倍；（b2）放大500倍）；（c）撞击速度：1 240 m/s（（c1）放大200倍；（c2）放大500倍）

图7.45　回收受损靶板的SEM观察结果

（a）原始试样；（b）撞击速度：325 m/s；（c）撞击速度：623 m/s；（d）撞击速度：1 240 m/s