超细晶金属材料的动态力学行为研究现状

朱福生 1 王艳华 2

摘要：动态力学分析（DMA）作为一种现代科学分析仪器，能测定材料在不同频率下交变应力（或应变）随应变（或应力）响应的情况，属于动态热机械分析技术领域中的一种重要测试手段。众所周知在受热或者受应力状态下，高分子材料的物理或化学性质将会发生变化，并在材料的粘弹性和热膨胀性方面有所体现。DMA在不破坏样品结构的条件下能同时提供高分子材料的弹性性能、粘性性能、以及粘弹性变化情况，因此其对于高分子材料科学的发展有着重要的指导意义。

关键词：超细晶；分离式霍普金森压杆；动态载荷；绝热剪切带

引言

截止到目前，材料科学工作者对超细晶金属材料的研究多集中在静态方面，在动态载荷下对超细晶金属材料的组织演变和力学性能方面的研究还相对匮乏。在实际生活中，目前使用场合例如车辆碰撞，爆炸焊接、穿甲、高速成型等动态变形条件更加普遍；而超细晶材料在动态加载下的组织演变与力学性能的研究，对拓展超细晶金属材料在高应变速率动态变形情况下进一步使用有现实的指导意义。目前动态力学行为多采用分离式霍普金森压杆（SHPB）技术实现，本文从利用分离式霍普金森压杆技术研究超细晶材料在动载荷下的动态力学行为研究现状出发，简述了在超细晶材料动态力学行为方面研究的成果及相关绝热剪切带的形成机理；并对目前所存在的问题和以后研究应用方向进行了展望。

1动态力学分析简介

DMA一般可用于测量宽范围内大多数材料的力学性质，如具有粘弹性的聚合物（既像粘性液体又像弹性固体）。由于DMA可以通过瞬态或动态实验来表征材料的粘弹性，其被广泛应用于聚合物的粘弹性和粘弹行为的研究。瞬态测试主要包括应力松弛或蠕变：应力松弛是测量应力在一定的形变状态下随时间的变化情况；而蠕变是测量形变在一定的应力状态下随时间的变化情况，然后测量其在应力撤除后的回复情况。由于高分子的动态力学性能可以灵敏地反映出其分子运动的变化，而分子运动状态与高分子的结构（包括相分离、取向、结晶、玻璃化转变等）密切相关，故DMA可作为一种可靠的研究手段用于高分子性能−分子运动−结构变化之间关系的分析[1]。通过调整测试条件（包括温度和应力频率等），可以得到高分子材料的复合模量并确定各种特征拐点，如聚合物的玻璃化转变温度。

2试验设备及试验过程

2.1实验方法

利用POLY、TDI、IPDI-MOCA、PDS-TDI-MOCA体系生成具备同碳二甲基结构的三种聚氨酯阻尼材料，此类高分子复合材料具有较好的阻尼性与力学性能。这种材料的特性能够满足体育器械制造所需要的减震要求。参照GB/T20688.1-2007橡胶支座的检测标准，将三种聚氨酯阻尼材料与钢板材料进行复合，生成四片式约束型阻尼结构，之后对聚氨酯阻尼结构进行动态力学性能测验，将差异化频率、温度与激励振幅设定为影响因素，对约束型阻尼结构的水平等效刚度与等效阻尼比展开实验研究，为体育器械所需的减震设计与制作提供实验依据。

2.2材料动态拉伸试验过程

（1）试验前将试验件一端安装固定于静态夹持夹具，对安装于作动缸末端的动态夹持夹具进行预紧，使试验件和动态夹持夹具保持接近贴合，且作动缸上下运动时试验件不与其发生干涉和卡滞；（2）设置试验控制和采集系统参数，如控制方式、作动缸目标加载速率、数据采集频率、数据采集触发方式和参数等；（3）作动缸运动至最低位置，随后向上运动加速到目标速率后动态夹持夹具瞬间释放侧向抱紧试验件，实现试验件随动恒速率拉伸，并在试验件受到拉伸前触发试验数据采集系统。

2.3性能测试

动态力学性能测试采用的是DMA法，产生形变的方式是薄膜拉伸，实验频率设置为1Hz，升温速率设置在℃/min。聚氨酯约束型阻尼结构的动态力学性能测试采用GB／T20688.1-2007实验法及正弦激励法，设置的频率分别是0.05Hz、0.3Hz、1.5Hz，设置的激励振幅分别是0.3mm、0.6mm、1.5mm、3.0mm、6.0mm、9.0mm，设置的实验温度为-20℃、-10℃、0℃、23℃、40℃。

2.4材料的动态应变测试

材料力学性能试验中应变测试的常规方法包括应变电测法和引伸计测量方法。但受限于常规应变片使用量程的限制，无法测量金属材料的塑性变形全过程。而材料动态拉伸试验为瞬态破坏过程，传统机械引伸计易发生损坏也不适用。因此，在金属材料动态拉伸试验中，常规的接触式应变测试手段无法适用。数字图像相关方法(digitalimagecorrelation,DIC)是应用计算机视觉技术的一种光学测量方法，因操作简单、精度高，可在非接触条件下进行全场变形测量等特点，在试验力学领域已获得越来越广泛的应用。

3结果分析

由此可看出，晶粒尺寸和位错密度的变化对材料的应变速率敏感性有着明显影响，晶粒的尺寸越小，其应变速率敏感性越高。在高应力应变速率下等通道角挤压路径对超细晶铝合金的影响，在以三种不同路径进行8道次挤压的试样中，根据扭转实验的数据发现：最大剪切应力随着组织均匀性的增加而增加，B路径试样的最大剪切应力、剪切应变（在最大应力处）以及断裂剪切应变都最大，随后依次为C路径、A路径。A路径试样中观察到了绝热剪切带，且剪切应变最低，这是由于以A路径进行挤压的试样微观组织不均匀。认为绝热剪切带的形成与剪切应变、形变能以及微观组织的均匀性有关。对细晶钨合金的动态力学性能与组于织结构进行了研究，发现钨合金在高应变率下会出现应变强化和热软化效应，在低应变时应力随应变的增加而增加；当应变达到0.03后，应力随着应变的增加呈锯齿状上升的趋势。钨合金在高应变率下出现应变率强化效应，随着应变率的增加，应力增加。添加Y2O3能提高材料的最大应力强度，提高钨合金的动态力学性能。

聚合物内部结构中分子链的运动状态决定了其力学性能，而分子链运动的松弛时间在很大程度上又决定了分子链的运动状态。在低温条件下，虽然聚合物分子链的主链处于冻结状态，但在外力作用下某些链段仍具有一定的运动能力，可发生形变并吸收能量。DMA是一种能够测量材料低温条件下的β和γ次级转变的技术。所谓次级转变反映的是伴随分子主链振动的侧链、基团的运动或侧链基团的内旋。这些转变发生在玻璃化转变温度Tg和室温以下。因为材料的次级转变在很大程度上可以影响其使用性能（如抗冲击性），故对其转变温度和范围的准确测量是极为重要的。采用DMA的频率扫描模式，在固定的温度和应力下考察材料的动态模量和损耗与频率的关系，从而得到高分子的次级转变。

结束语

到目前为止，关于材料动态力学行为的研究成果多是在分离式霍普金森压杆装置上取得的，由于分离式霍普金森压杆装置设计上的缺陷，限制了对材料动态变形研究的深入开展。动态载荷下材料力学行为要考虑很多因素，例如惯性、应变、应变率和温升甚至伴生光、声、电等次生效应。任何一个因素的不确定性都会影响实验的准确性。在动态载荷下，剪切变形在极短的时间内完成，绝热剪切带的形成、宏观上的剪切带是如何通过微观剪切发展而成的以及它的形成机制等都需要进一步深入研究。

参考文献

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