低温下TiZrHf系高熵合金的动态压缩力学特性与点火行为.pdf
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1、第 51 卷 第 1 期有色金属设计Vol.51 No.12024 年 3 月Nonferrous Metals DesignMar.2024收稿日期:2023-11-17作者简介:车明月(1999),女,山东海阳人,硕士。主要研究方向:材料与结构动力学。通讯作者:常孟周(1990),男,河北衡水人,博士,副教授。主要研究方向:装备制造技术,材料与结构的动力学行为。基金项目:国家自然科学基金青年基金项目资助(12002220);中央军委装备发展部国防重点实验室基金资助(6142902200404)低温下 TiZrHf 系高熵合金的动态压缩力学特性与点火行为车明月,常孟周,范飞高,陈闯,唐恩凌,
2、郭凯,贺丽萍(沈阳理工大学 辽宁省瞬态物理力学与能量转换材料重点实验室,辽宁 沈阳 110159)摘要:针对高熵合金在低温条件下力学特性以及点火行为研究不足的现状,以含微量元素 Cu、Al 或 Ni 的 TiZrHf 系多主元高熵合金(HEA)为研究对象,结合 SHPB 试验系统与高速摄像系统,开展不同温度下高熵合金的动态压缩实验及点火特性实验,获得了弹性模量、应力峰值、硬化模量以及应变率与温度、元素种类的关联规律,并明确了元素种类对火焰面积、点火延迟时间、点火对应时刻以及剧烈反应持续时间的影响规律。结果表明,低温条件下 3 种 HEA 的应力-应变曲线均经历弹性、强化以及卸载阶段;在相近载荷
3、条件下(20 m/s,-40),含Cu 和 Ni 的 2 类试件均发生了点火现象,而含 Al 试件只有细微点火,试件的点火延迟时间均为25 s,含 Cu 试件的剧烈反应持续时间与点火持续时间均大于含 Ni 试件。关键词:高熵合金;动态压缩;低温条件;SHPB;点火行为中图分类号:O341文献标识码:A文章编号:1004-2660(2024)01-0141-08Dynamic Compressive Mechanical Properties and Ignition Behavior of TiZrHf-based High-entropy Alloys at Low Temperatures
4、CHE Mingyue,CHANG Mengzhou,FAN Feigao,CHEN Chuang,TANG Enling,GUO Kai,HE Liping(Key Laboratory of Transient Physical Mechanics and Energy Conversion Materials of Liaoning Province,Shenyang Ligong University,Shenyang,Liaoning 110159)Abstract:Addressing the gap in research on mechanical properties and
5、 ignition behavior of high-entropy alloys(HEAs)at low temperatures,this study investigated TiZrHf-based HEAs with trace amounts of Cu,Al,or Ni.Utilizing the split-Hopkinson pressure bar(SHPB)test system coupled with a high-speed camera system,the investigation tested HEAs for dynamic compression and
6、 ignition characteristics across at various tempera-tures.The study established the correlations between the elastic modulus,stress peak,hardening modulus,and strain rate with the temperature and element type.Furthermore,the study delineated how these elements in-fluence the flame area,ignition dela
7、y time,ignition timing,and duration of intense reaction.The results indi-cate that at low temperatures,the stress-strain curves of all three HEAs go through phases of elasticity,harden-ing,and unloading;under similar loading conditions(20 m/s,-40),specimens containing Cu or Ni both exhibit ignition,
8、whereas those with Al show only minor ignition.The ignition delay time for all the speci-mens is measured at 25 s,with specimens containing Cu showing longer intense reaction duration and ignition duration compared to those containing Ni.有色金属设计第 51 卷Keywords:High-entropy alloys;Dynamic compression;L
9、ow temperatures;SHPB;Ignition behavior0 引 言高熵合金(High entropy alloy,HEA),是由4 种或 4 种以上金属元素以相近原子比进行混合的固溶体相合金,具有高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应以及鸡尾酒效应1。HEA 亦属于含能材料,在受冲击时释放能量,与惰性毁伤单元,HEA 破片的毁伤效能与穿甲能力提升,在极端环境中应用可进一步提高战斗部毁伤效率。目前,国外科研人员在 HEA 的制备工艺、性能表征等方面开展了研究。Gali A 等2制备了CrMnFeCoNi 与 CrFeCoNi 系 HEA,并研究了-1961 000 温度下的变形
10、行为。结果表明,2 种HEA 均表现出强温度依赖性与弱应变率效应,在较高 的 应 变 速 率(10-1s-1)或 较 低 温 度(600 的温度下,可以观察到屈服强度的异常增长;温度为 760 时,峰值屈服应力超过 720 MPa。盛洪飞13利用原位自生成法制备了 TiC 增强多主元复合材料Al0.5CrCuFeNi-y%TiC(y=5、10 及 15),并探讨了其组织和性能特点。综上所述,国内外科研人员对 HEA 的高温、低温静态力学性能进行了广泛研究,但低温条件下 HEA 的点火特性尚不明确。该文以 Hf、Ti 以及 Zr 三种元素作为 HEA 基本组分,根据鸡尾酒效应充填原子比为 0.3
11、 的 Al、Cu 或 Ni 作为调控元素制备所需试件,结合霍普金森压杆系统(SHPB)与高速摄像系统,开展不同温度、不同元素条件下 HEA 的动态力学行为及点火特性研究。241车明月,常孟周,范飞高,等:低温下 TiZrHf 系高熵合金的动态压缩力学特性与点火行为1 HEA 制备及实验系统构建1.1 HEA 制备采用真空熔炼法制备 HEA 试件,得到 HEA母锭并加工成直径 3.6 mm、高度 6 mm 的圆柱状试件,详见图 1。(a)母锭(b)试件图 1 HEA 实物图Fig.1 HEA photo1.2 实验参数结合 SHPB 实验系统与高速摄像系统开展0、-20、-40 及-57 温度下
12、充填3%微量元素 Cu、Al 或 Ni 的 HEA 试件(6 mm 3.6 mm)的动态压缩实验。HEA 试件实验参数见表 1。表 1 HEA 试件实验参数Tab.1 Experimental parameters of HEA specimensExperimental numberVelocity/ms-1Trace elementTemperature/No.118.09Cu0No.217.73Cu-20No.317.53Cu-40No.417.53Cu-57No.516.90Al0No.616.64Al-20No.717.80Ni0No.817.79Ni-20No.916.33Ni-4
13、0No.1015.94Ni-57No.1120.0Cu-40No.1223.2Al-40No.1320.2Ni-402 HEA 动态力学特性2.1 应力-应变分析采用二波法分析动态应变仪采集的入射波、反射波以及透射波信号,得到 No.110 的应力-应变关系。不同温度条件下 HEA 的动态应力-应变关系见图 2。图 2 不同温度条件下 HEA 的动态应力-应变关系Fig.2 Dynamic stress-strain relation of HEAs at different temperatures341有色金属设计第 51 卷由图 2 可知,3 类试件的动态压缩过程均可分为弹性阶段、强化阶
14、段以及卸载阶段,未表现出明显屈服特性。由图 2(a)可知,在弹性阶段,含 Cu 试件在 0 及-20 条件下的应力-应变曲线趋势相近,均呈线性增长(5.410-3),弹性模量均高于 200 GPa,而-40 与-57 条件下曲线斜率较低(3.710-2),弹性模量减小,约在 50 80 GPa 范围内;在强化阶段,含Cu 试件在 0、-20 条件下应力随应变非线性增长并达到峰值(5.410-37.810-2),硬化模量在 5.57.5 GPa 范围内,-40、-57 条件下应力峰值均在 1.61.8 GPa 范围内;在卸载阶 段,7.8 10-2 1.50 GPa(-20)1.45 GPa(-
15、57)1.39 GPa(0);在卸载阶段,试件应力均减小。2.2 应变率特性分析0、-20、-40 及-57 温度条件下,含不同元素 HEA 试件的应变率时程曲线见图 3。图 3 温度与元素对 HEA 应变率的影响Fig.3 Effect of temperature and element type on HEA strain rate由图 3(a)可知,含 Cu 试件在不同温度下的应变率时程曲线相近,均经历了快速上升、快速下降、稳定以及下降 4 个阶段,-20 条件下含 Cu 试件的应变率最大,约为 3 605 s-1。此外,-20 以及 0 条件下曲线峰值对应时刻约在 4050 s 范围
16、内,高于-40 以及-57 条件下曲线峰值对应时刻(约 2030 s)。由图 3(b)可知,含 Al 试件的应变率时程曲线趋势与含 Cu 试件相近,而-20 条件下应变率最大值约为 0 条件下的 2.5 倍。由图 3(c)可知,0 与-20 (-40 与-57)条件下含 Ni 试件的应变率在上升段基本重合,且后者曲线斜率明显小于前者,0 条件下最大应变率(4 704 s-1)高441车明月,常孟周,范飞高,等:低温下 TiZrHf 系高熵合金的动态压缩力学特性与点火行为表 2 试件的动态压缩力学参数Tab.2 Dynamic compressive mechanical parameters
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