張子晗，馬 彥，袁福平

（1. 中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所非線性力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，北京 100049）

從人類(lèi)文明進(jìn)入鐵器時(shí)代開(kāi)始，金屬材料在人們的生產(chǎn)和生活中扮演著越來(lái)越重要的角色，如武器裝備、飛機(jī)、橋梁、汽車(chē)、房屋等各個(gè)方面都離不開(kāi)金屬材料的應(yīng)用。金屬材料的廣泛使用得益于其優(yōu)異的力學(xué)性能，尤其是動(dòng)態(tài)載荷（如高速撞擊、高速切削、爆炸防護(hù)等極端環(huán)境[1–3]）下的性能。

金屬材料在高應(yīng)變速率下的變形主要取決于材料3 個(gè)方面的性質(zhì)：應(yīng)變硬化能力、應(yīng)變率硬化（應(yīng)變速率敏感性）和熱軟化[3]。在高應(yīng)變速率下，材料往往會(huì)因?yàn)槿狈ψ銐虻挠不芰Χl(fā)生變形局部化，由于應(yīng)變速率較高，熱擴(kuò)散來(lái)不及進(jìn)行，局部化變形會(huì)使材料在極小的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生40%Tm～Tm（熔點(diǎn)）的絕熱溫升，從而使材料發(fā)生熱軟化失效。通常材料的應(yīng)變速率敏感系數(shù)越高，意味著抵抗變形局部化的能力越高。對(duì)于FCC（面心立方）金屬來(lái)說(shuō)，晶粒尺寸越小，應(yīng)變速率敏感系數(shù)越高；而B(niǎo)CC（體心立方）金屬正好相反，晶粒尺寸越小，應(yīng)變速率敏感系數(shù)越低，因此BCC 納米晶金屬材料相較粗晶金屬而言，更易發(fā)生局部化變形，在較低的應(yīng)變下即發(fā)生失效破壞[4–6]。

局部化的變形會(huì)使材料內(nèi)部形成絕熱剪切帶（Adiabatic shear band，ASB）。大量的實(shí)驗(yàn)和理論證明，絕熱剪切帶失效是金屬材料在高應(yīng)變率載荷下主要的失效模式。絕熱剪切帶寬度通常只有10～100 μm，剪切應(yīng)變大于1，應(yīng)變速率為103～107s–1[1–3]。絕熱剪切帶會(huì)發(fā)展成宏觀裂紋，造成材料的失效破壞。

相比傳統(tǒng)均勻結(jié)構(gòu)材料，異構(gòu)金屬材料表現(xiàn)出更加優(yōu)異的力學(xué)性能，獲得了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[7–9]。異構(gòu)材料指微觀結(jié)構(gòu)上包含兩種以上性能差異較大的結(jié)構(gòu)單元，如梯度結(jié)構(gòu)材料、雙相結(jié)構(gòu)材料、層狀結(jié)構(gòu)材料、多層復(fù)合材料等。異構(gòu)材料在變形過(guò)程中，不同性能的結(jié)構(gòu)單元之間會(huì)發(fā)生應(yīng)力再配分，產(chǎn)生協(xié)調(diào)變形，從而觸發(fā)了異構(gòu)變形誘導(dǎo)（Hetero-deformation induced，HDI）硬化效應(yīng)[7–9]。

本文主要針對(duì)異構(gòu)金屬材料包括梯度結(jié)構(gòu)材料、層狀結(jié)構(gòu)材料、雙相材料、多尺度晶粒結(jié)構(gòu)材料等的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及變形微觀機(jī)理進(jìn)行總結(jié)分析，對(duì)異構(gòu)材料中絕熱剪切帶的萌生和擴(kuò)展，及形成絕熱剪切帶的臨界條件進(jìn)行討論，并與傳統(tǒng)均勻結(jié)構(gòu)金屬材料的結(jié)果進(jìn)行比較。

1 異構(gòu)金屬動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及變形機(jī)理

1.1 剪切韌性

材料的動(dòng)態(tài)剪切強(qiáng)度及剪切韌性能夠反映材料在高應(yīng)變率載荷下抵抗破壞和吸收沖擊功的能力。研究材料在剪切變形過(guò)程中的微結(jié)構(gòu)演化及剪切帶內(nèi)的微結(jié)構(gòu)特征對(duì)于預(yù)防和延緩材料剪切失效破壞尤為重要[10]。

目前研究材料剪切性能的實(shí)驗(yàn)手段主要通過(guò)特殊的試樣尺寸設(shè)計(jì)，在樣品局部形成只受剪切力作用的區(qū)域，例如帽形試樣、類(lèi)帽形試樣、強(qiáng)迫剪切試樣（見(jiàn)圖1）。這樣的剪切樣品通常能夠確定剪切帶形成的位置，配合高速攝像機(jī)和紅外測(cè)溫系統(tǒng)等實(shí)驗(yàn)裝置可清楚而方便地研究剪切帶的萌生和擴(kuò)展過(guò)程，同時(shí)對(duì)剪切帶內(nèi)微觀結(jié)構(gòu)的演化及溫升等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行研究[11–12]。

圖1 剪切樣品示意圖Fig. 1 Schematic illustration of shear test specimens

大量研究表明[13–15]，異構(gòu)材料不僅能提高材料在準(zhǔn)靜態(tài)下的力學(xué)性能，而且在高應(yīng)變速率下，材料的性能也有較大程度的提高。Bian 等[13]研究了梯度結(jié)構(gòu)Fe-23Mn-0.63C TWIP 鋼的動(dòng)態(tài)剪切性能，發(fā)現(xiàn)梯度結(jié)構(gòu)材料能夠獲得優(yōu)越的剪切強(qiáng)度和剪切韌性匹配，在提高剪切強(qiáng)度的同時(shí)，較少地?fù)p失剪切韌性。Xing 等[14]研究了梯度層狀301 不銹鋼（Stainless steel，SS）的動(dòng)態(tài)剪切變形行為，結(jié)果表明相比粗晶結(jié)構(gòu)，梯度-層片結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出優(yōu)異的動(dòng)態(tài)剪切性能，剪切強(qiáng)度提升至粗晶結(jié)構(gòu)的2～3 倍，剪切韌性達(dá)到粗晶結(jié)構(gòu)的一半以上。對(duì)剪切變形前后的微結(jié)構(gòu)研究表明，剪切過(guò)程中發(fā)生大量的馬氏體相變，同時(shí)在絕熱剪切帶內(nèi)發(fā)現(xiàn)了逆馬氏體相變現(xiàn)象。馬彥等[15]利用分離式霍普金森壓桿裝置（Split Hopkinson pressure bar，SHPB）加載帽形樣品，研究了FeNiAlC 雙相合金粗晶態(tài)與冷軋態(tài)樣品的剪切韌性，冷軋態(tài)樣品的剪切強(qiáng)度達(dá)1.3 GPa，是粗晶態(tài)的3 倍，但剪切韌性有所降低，是由于剪切變形時(shí)抑制了馬氏體相變的發(fā)生，從而降低了材料的韌性。

中高熵合金是近年來(lái)人們?cè)谔剿餍滦秃辖饡r(shí)發(fā)現(xiàn)的一種化學(xué)短程無(wú)序、結(jié)構(gòu)有序的單相或多相固溶體，因其具有非常優(yōu)異的力學(xué)性能、導(dǎo)電性、抗磨損性等，受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注與研究[16–17]。Ma 等[18]通過(guò)大應(yīng)變塑性變形及部分再結(jié)晶退火制備出具有多級(jí)晶粒尺寸分布的異構(gòu) CrCoNi 中熵合金，利用SHPB 研究了其在室溫（298 K）和低溫（77 K）下的動(dòng)態(tài)剪切響應(yīng)。結(jié)果表明，異構(gòu)CrCoNi 中熵合金比其他傳統(tǒng)合金具有更優(yōu)異的動(dòng)態(tài)剪切性能。在變形過(guò)程中，晶粒不斷細(xì)化，同時(shí)發(fā)生大量孿生變形，并形成L-C 位錯(cuò)鎖等微結(jié)構(gòu)，從而提高了材料的應(yīng)變硬化能力，而且大小晶粒之間的應(yīng)力/應(yīng)變分配和應(yīng)變梯度提供了額外的背應(yīng)力硬化，阻礙剪切帶的形成。在低溫下，晶粒內(nèi)部發(fā)生FCC 到HCP（密排六方）的相變，極大地提高了材料的應(yīng)變硬化能力，因而在低溫下的剪切韌性較室溫更優(yōu)異。圖2 是異構(gòu)CrCoNi 中熵合金和其他傳統(tǒng)金屬（包括301/304 不銹鋼、316L 不銹鋼、Fe-5Mn 鋼、Ti 合金、Cu 合金等）的剪切強(qiáng)度與韌性匹配圖，可見(jiàn)多級(jí)晶粒結(jié)構(gòu)CrCoNi 中熵合金具有最優(yōu)異的動(dòng)態(tài)剪切性能。

圖2 金屬及合金的動(dòng)態(tài)剪切性能[18]Fig. 2 Dynamic shear properties of metals and alloys[18]

1.2 沖擊韌性

通常材料的斷裂韌性（KIC）是損傷容限設(shè)計(jì)中最重要的力學(xué)指標(biāo)，反映材料在有缺陷的情況下抵抗裂紋擴(kuò)展的能力[19]。沖擊韌性（AK）作為斷裂韌性的補(bǔ)充，反映材料在高應(yīng)變速率載荷作用下抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。夏比沖擊實(shí)驗(yàn)（也稱(chēng)落錘實(shí)驗(yàn)）中通過(guò)記錄力-位移曲線獲得材料的沖擊韌性，能夠快速準(zhǔn)確地衡量沖擊條件下材料抵抗裂紋萌生及擴(kuò)展的能力，可以定量地評(píng)價(jià)沖擊條件下材料吸收沖擊功的能力。

Lin 等[20]研究了梯度結(jié)構(gòu)Ni 的沖擊韌性，結(jié)果表明具有粗晶-納米晶（Coarse grain-nanocrystal grain，CG-NG）多尺度晶粒結(jié)構(gòu)的材料在沖擊載荷作用下能夠有效地阻礙裂紋的萌生和擴(kuò)展，相比CG 結(jié)構(gòu)、NG 結(jié)構(gòu)及NG-CG 結(jié)構(gòu)（缺口位于納米晶層），CG-NG 結(jié)構(gòu)（缺口位于粗晶層）的沖擊吸收能最高。實(shí)驗(yàn)[20]及模擬結(jié)果[21]均表明：CG-NG 結(jié)構(gòu)中粗晶層能夠有效抑制裂紋的萌生，同時(shí)納米晶層又能阻礙裂紋的擴(kuò)展；并且在納米晶層內(nèi)裂紋前端形成絕熱剪切帶，剪切帶內(nèi)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程消耗大量的沖擊功，使得材料具有優(yōu)異的沖擊韌性。Yang 等[22–23]針對(duì)多尺度晶粒結(jié)構(gòu)CoCrNi 中熵合金進(jìn)行了298、77 和4.2 K 環(huán)境溫度下的夏比沖擊實(shí)驗(yàn)，如圖3 所示。研究表明，多尺度晶粒結(jié)構(gòu)CoCrNi 中熵合金擁有目前所有金屬材料中最高的AK值，約350 J。通過(guò)變形前后微結(jié)構(gòu)的對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)：在沖擊載荷下，多尺度晶粒結(jié)構(gòu)CoCrNi 中熵合金中主裂紋及次生裂紋前端會(huì)產(chǎn)生絕熱剪切帶，絕熱剪切帶內(nèi)硬度高于基體，能夠抑制裂紋向前擴(kuò)展。同時(shí)塑性變形區(qū)高密度納米孿晶界對(duì)裂尖前端剪切帶的阻礙以及剪切帶內(nèi)部孿晶-位錯(cuò)交互作用共同提高材料的應(yīng)變硬化能力和沖擊韌性。

圖3 沖擊力-位移曲線及金屬材料沖擊韌性[22–23]Fig. 3 Load-deflection curve and impact fracture toughness of metals and alloys[22–23]

2 異構(gòu)金屬絕熱剪切帶的形成與擴(kuò)展

塑性變形局部化通常是引發(fā)金屬材料失效的主要原因，如準(zhǔn)靜態(tài)拉伸[24]、疲勞與斷裂[25]等變形時(shí)，試件最終都會(huì)由于局部化變形而造成失穩(wěn)。當(dāng)金屬材料受到高應(yīng)變率載荷作用時(shí)，塑性變形產(chǎn)生的熱量來(lái)不及耗散，從而在材料局部區(qū)域形成絕熱剪切帶。關(guān)于絕熱剪切帶最早的研究可追溯至1944 年，Zener 等[26]研究了碳鋼在高應(yīng)變速率載荷下的失效與破壞機(jī)制，提出絕熱剪切帶的形成是材料應(yīng)變硬化與熱軟化相互競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果，即在材料變形時(shí)，若硬化能力不足，便會(huì)發(fā)生變形局部化，造成局部熱軟化。對(duì)于均質(zhì)材料而言，一般認(rèn)為當(dāng)流變應(yīng)力達(dá)到最大值后，材料內(nèi)部便會(huì)形成絕熱剪切帶，此時(shí)材料喪失承載能力，導(dǎo)致流變應(yīng)力快速跌落至峰值的80%[27]。在異構(gòu)金屬材料中，由于材料內(nèi)部存在強(qiáng)度與應(yīng)變硬化能力等力學(xué)屬性不一致的結(jié)構(gòu)單元，因此絕熱剪切帶的形成和擴(kuò)展與均質(zhì)材料存在差異。

2.1 梯度結(jié)構(gòu)

Bian 等[13]在具有梯度結(jié)構(gòu)（Gradient structure，GS）TWIP 鋼的動(dòng)態(tài)剪切行為和微結(jié)構(gòu)機(jī)理研究中發(fā)現(xiàn)，絕熱剪切帶在外加應(yīng)力達(dá)到最大值之前就已經(jīng)在樣品中萌生，如圖4 所示。結(jié)果表明，剪切帶首先萌生于表面納米晶層中，隨后擴(kuò)展至芯部粗晶晶粒中，當(dāng)剪切帶貫穿整個(gè)樣品時(shí)，剪應(yīng)力發(fā)生“坍塌式”跌落，材料喪失承載能力。Xing 等[14]在梯度結(jié)構(gòu)301 不銹鋼中同樣證實(shí)絕熱剪切帶先形成于材料內(nèi)部硬度較高的區(qū)域，而硬度較低的軟區(qū)對(duì)絕熱剪切帶的傳播具有阻礙作用。而且研究發(fā)現(xiàn)，異構(gòu)金屬中剪切帶的傳播速度比均質(zhì)結(jié)構(gòu)中低一個(gè)數(shù)量級(jí)，正是由于異構(gòu)金屬能夠延緩剪切帶在硬區(qū)的萌生，延緩從硬區(qū)向軟區(qū)的傳播，從而獲得了較優(yōu)越的動(dòng)態(tài)剪切韌性[13–14]。

圖4 梯度結(jié)構(gòu)TWIP 鋼中剪切帶形成及擴(kuò)展[13]Fig. 4 Initiation and propagation of ASB in GS TWIP steel[13]

2.2 層狀結(jié)構(gòu)

復(fù)合多層結(jié)構(gòu)（Composite multilayer structure, CMS）材料最早由Ashby[28]提出，以解決材料性能單一的問(wèn)題。多層結(jié)構(gòu)材料是將兩種或兩種以上的金屬通過(guò)疊軋、爆炸復(fù)合、粘接復(fù)合等手段組合在一起形成的。通過(guò)特殊的材料種類(lèi)與體積分?jǐn)?shù)的設(shè)計(jì)，多層結(jié)構(gòu)材料能夠?qū)崿F(xiàn)超越混合法則計(jì)算得到的力學(xué)性能，發(fā)揮出層間協(xié)同變形強(qiáng)化/硬化的效果。

大量的有限元模擬和實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)，在變形過(guò)程中多層結(jié)構(gòu)材料中的異質(zhì)界面區(qū)域能夠產(chǎn)生較大的應(yīng)變梯度，從而增大界面附近的幾何必需位錯(cuò)（Geometrically necessary dislocation， GND）密度[29–30]。更高的位錯(cuò)密度有效地提高了材料的應(yīng)變硬化能力，從而延緩材料發(fā)生破壞。He 等[31]對(duì)疊軋復(fù)合多層板（304 SS/mild steel/304 SS）中絕熱剪切帶的萌生及擴(kuò)展進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，如圖5 所示。研究表明，在復(fù)合層片結(jié)構(gòu)中，剪切帶形成于應(yīng)變硬化能力較弱的低碳鋼層（硬層），隨著剪切應(yīng)變的增大，剪切帶向兩側(cè)軟層（304 SS）擴(kuò)展，最終貫穿整個(gè)樣品。值得注意的是，由于表層304 SS 具有良好的應(yīng)變硬化能力，在低碳鋼層中形成剪切帶后，外加應(yīng)力仍在逐漸增大，直至剪切帶貫穿整個(gè)低碳鋼層后，應(yīng)力開(kāi)始降低。對(duì)比單層低碳鋼的剪切韌性后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)表層304 SS 復(fù)合的低碳鋼板（304 SS 的體積分?jǐn)?shù)小于30%）的剪切韌性提高約50%，表明層片結(jié)構(gòu)材料中的異質(zhì)界面能夠有效抑制絕熱剪切帶的擴(kuò)展，提高材料的抗剪切破壞能力。

圖5 復(fù)合多層材料中剪切帶的形成及擴(kuò)展[31]Fig. 5 Initiation and propagation of ASB in CMS[31]

2.3 雙相結(jié)構(gòu)

雙相結(jié)構(gòu)（Duplex phase, DP）材料一般由硬度差異較大的兩種相構(gòu)成，如中錳鋼（Medium manganese steel）[32–34]、雙相不銹鋼（DP-SS）[35–37]等。Yuan 等[38]利用帽形樣品研究了雙相鋼Fe-5Mn-0.2C 中絕熱剪切帶的形成與演化模式，發(fā)現(xiàn)剪切變形初期剪切帶寬度只有10 μm，當(dāng)剪切帶擴(kuò)展完全后，剪切帶寬度達(dá)到50 μm，并形成中心區(qū)（Core region）和兩側(cè)轉(zhuǎn)變區(qū)（Transition layers）交替分布的結(jié)構(gòu)，如圖6 所示。進(jìn)一步研究表明，轉(zhuǎn)變區(qū)由于溫升較高，發(fā)生馬氏體的逆相變，而中心區(qū)由于剪切應(yīng)變較大，相變的程度大于逆相變的程度，所以?shī)W氏體的體積分?jǐn)?shù)略小于兩側(cè)轉(zhuǎn)變區(qū)。同時(shí)，剪切帶內(nèi)的晶粒發(fā)生明顯的細(xì)化。Ren 等[39]研究了Ti-6Al-4V 雙相合金平板撞擊實(shí)驗(yàn)（層裂實(shí)驗(yàn)）中的絕熱剪切帶失效行為，揭示了其絕熱剪切帶的形成機(jī)制和層裂破壞機(jī)制，隨著變形量的增大，位錯(cuò)不斷增殖，促進(jìn)了位錯(cuò)與絕熱剪切帶之間的相互作用，從而形成絕熱剪切帶相互塞積和團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)，并最終發(fā)展成宏觀裂紋，樣品發(fā)生層裂。

圖6 雙相鋼Fe-5Mn-0.2C 中絕熱剪切帶的演化規(guī)律[38]Fig. 6 Evolution of ASB in Fe-5Mn-0.2C dual-phase steel[38]

3 異構(gòu)金屬的失效準(zhǔn)則及動(dòng)態(tài)再結(jié)晶

通常材料在失效前會(huì)發(fā)生變形局部化，引起應(yīng)力下降。局部化變形對(duì)于材料失效影響的研究尤為重要，因?yàn)橐坏┎牧系淖冃尉植炕?，較小的（應(yīng)力或應(yīng)變）擾動(dòng)就會(huì)引起足夠大的力學(xué)響應(yīng)（應(yīng)力的快速跌落），從而加速材料失效[3]。在高應(yīng)變速率載荷下，材料變形局部化過(guò)程所經(jīng)歷的時(shí)間極短，而且通常發(fā)生在材料內(nèi)部非常狹窄的區(qū)域（如絕熱剪切帶），因而與均勻材料相比，微觀結(jié)構(gòu)上的異構(gòu)所產(chǎn)生的影響非常小，故本節(jié)在討論異構(gòu)金屬的失效準(zhǔn)則及動(dòng)態(tài)再結(jié)晶時(shí)主要以均勻材料中的理論和實(shí)驗(yàn)研究為主。這對(duì)于今后研究異構(gòu)金屬的失效準(zhǔn)則是非常有意義的。

3.1 失效準(zhǔn)則

絕熱剪切帶是材料內(nèi)部塑性變形高度集中的區(qū)域[1,3–4,40]。因?yàn)榻^熱剪切帶往往是材料發(fā)生剪切失效的“前奏”，所以研究材料動(dòng)態(tài)變形中剪切帶的萌生條件極為重要。例如，在彈丸穿靶過(guò)程中，靶板的破壞就是由于絕熱剪切帶的形成建立了剪切失效路徑，造成靶板的純粹沖塞[3]。在許多金屬加工過(guò)程中也易形成絕熱剪切帶，如鍛造、軋制和高速切削等[4]。絕熱剪切帶的萌生對(duì)金屬的承載和變形極其不利。

1974 年，Hargreaves 和Werner 首先指出金屬材料絕熱剪切帶失效因素有3 個(gè)方面：材料應(yīng)變硬化、熱軟化、材料應(yīng)變率硬化[41]。所以剪切應(yīng)力τ寫(xiě)作

式中： γ 、 γ˙分別為剪應(yīng)變和剪應(yīng)變率。對(duì)式（1）求導(dǎo)

變換形式，得

式中：等號(hào)右邊第1 項(xiàng)表示材料的應(yīng)變硬化能力，第2 項(xiàng)表示材料的應(yīng)變速率敏感性，第3 項(xiàng)表示材料的熱軟化效應(yīng)。首先，材料的應(yīng)變硬化能力對(duì)材料的穩(wěn)態(tài)變形起主導(dǎo)作用。例如，對(duì)于納米晶來(lái)說(shuō)，幾乎沒(méi)有應(yīng)變硬化能力，所以塑性很差，容易發(fā)生變形局部化。第二，如果材料的應(yīng)變速率敏感性很高，則會(huì)抑制變形局部化的發(fā)生，材料在大應(yīng)變下依然能夠保持穩(wěn)態(tài)變形。第三，準(zhǔn)靜態(tài)變形時(shí)，材料內(nèi)的熱擴(kuò)散作用與塑性變形產(chǎn)生的溫升作用幾乎相當(dāng)，所以可以當(dāng)作恒溫變形。然而在高應(yīng)變速率下，只有很少的熱量會(huì)散發(fā)，從而帶來(lái)很大的局部溫升，通常能夠達(dá)到40%Tm～Tm[42–43]。當(dāng)變形速率足夠高時(shí)，可認(rèn)為整個(gè)變形過(guò)程是絕熱的[3]。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)

材料便會(huì)發(fā)生局部化變形，甚至局部形成絕熱剪切帶。所以，材料的絕熱剪切帶失效就是材料的應(yīng)變硬化能力、應(yīng)變速率敏感性及熱軟化之間相互競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。

Bai[44]和Dodd 等[1]通過(guò)一階熱擾動(dòng)分析給出絕熱剪切帶萌生時(shí)的臨界剪應(yīng)力 τC有如下關(guān)系

式中： λ為材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)，TC為形成絕熱剪切帶時(shí)的溫度。因?yàn)槭?6)只分析了剪切帶萌生時(shí)的寬度，沒(méi)有考慮熱軟化對(duì)絕熱剪切帶擴(kuò)展的影響，所以通常預(yù)測(cè)的剪切帶寬度小于實(shí)驗(yàn)測(cè)量值[3]。

對(duì)于絕熱剪切帶萌生的更微觀的解釋由Coffey[45]、Armstrong 等[46–47]指出，位錯(cuò)的“釘扎點(diǎn)”會(huì)使材料局部的溫度顯著升高，成為孕育絕熱剪切帶的地方。但不可忽略的是，位錯(cuò)滑移有其固定的晶體取向（一般為晶體中原子密排面上的密排方向），而絕熱剪切帶往往是微米量級(jí)的變形帶，同時(shí)會(huì)貫穿材料內(nèi)部多個(gè)晶粒。所以關(guān)于絕熱剪切帶萌生更微觀、更細(xì)致的微結(jié)構(gòu)機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

異構(gòu)材料中由于在不同力學(xué)性能單元之間發(fā)生協(xié)調(diào)變形，從而激發(fā)了非均勻變形誘導(dǎo)硬化能力[48–50]。由式(3)可知，應(yīng)變硬化能力高的材料不容易發(fā)生應(yīng)力/應(yīng)變失穩(wěn)，形成絕熱剪切帶。同時(shí)應(yīng)變速率敏感性高的金屬同樣能夠抑制絕熱剪切帶的產(chǎn)生。傳統(tǒng)的形成絕熱剪切帶的臨界剪切應(yīng)變（Culver 判據(jù)）為[51]

Yang 等[52]在多尺度晶粒結(jié)構(gòu)高熵合金FeCoCrNiMn 中發(fā)現(xiàn)，多尺度晶粒結(jié)構(gòu)能夠顯著提高材料的應(yīng)變速率敏感性，因此需考慮應(yīng)變速率敏感性的影響，臨界剪切應(yīng)變修正為式(8)才能更好地吻合實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

式中：n為應(yīng)變硬化系數(shù)，m為應(yīng)變速率敏感性系數(shù)

3.2 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶

當(dāng)材料由于塑性變形產(chǎn)生極高溫升時(shí)，或在極高溫度下發(fā)生塑性變形時(shí)，材料的動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶會(huì)對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能產(chǎn)生很大影響[4]。絕熱剪切帶內(nèi)由于溫度極高，會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶會(huì)給材料帶來(lái)應(yīng)變硬化效果[53]，通常剪切帶內(nèi)的硬度明顯高于帶外的硬度[14,31,38]。剪切帶內(nèi)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象已經(jīng)在錳鋼[54–55]、雙相鋼[56]、不銹鋼[57–59]、中高熵合金[60–61]以及銅合金[62–63]、鈦合金[64–67]、低碳鋼[68–69]等金屬和合金中被觀察到。Ma 等[18]在多尺度晶粒結(jié)構(gòu)CrCoNi中熵合金中觀察到其絕熱剪切帶內(nèi)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，形成晶粒尺寸約200 nm 的等軸晶，同時(shí)由于帶內(nèi)晶粒尺寸的細(xì)化，帶內(nèi)硬度顯著提高。在研究具有TRIP 效應(yīng)的雙相鋼的絕熱剪切帶時(shí)發(fā)現(xiàn)[15,38]，由于帶內(nèi)極高的溫升會(huì)抑制相變的產(chǎn)生，甚至發(fā)生了馬氏體向奧氏體的逆相變過(guò)程。

一般認(rèn)為，絕熱剪切帶內(nèi)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形成納米晶或超細(xì)晶粒是晶粒旋轉(zhuǎn)和亞晶界遷移的結(jié)果[36,70]。首先，絕熱剪切帶內(nèi)發(fā)生較大的塑性變形將晶粒拉長(zhǎng)，同時(shí)高密度的位錯(cuò)形成一些低角度亞晶界。隨后，因?yàn)榧羟凶冃卧趲?nèi)產(chǎn)生不均勻的應(yīng)變，使得晶粒發(fā)生旋轉(zhuǎn)，低角度晶界發(fā)展成高角度晶界，形成納米晶?；虺?xì)晶粒。Xue 等[70]在316L 不銹鋼中證實(shí)：形成絕熱剪切帶之前，樣品局部區(qū)域首先形成大量高密度位錯(cuò)的亞結(jié)構(gòu)，如位錯(cuò)胞、位錯(cuò)墻等，隨后通過(guò)絕熱剪切帶內(nèi)塑性功產(chǎn)生溫升提供熱激活能，這些亞結(jié)構(gòu)形成大角度晶界。

4 結(jié)論與展望

異構(gòu)金屬作為一種新興材料，表現(xiàn)出獨(dú)特的變形機(jī)理及優(yōu)異的力學(xué)性能。在材料實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，通常會(huì)受到高應(yīng)變率載荷的作用。對(duì)于異構(gòu)金屬，由于微觀結(jié)構(gòu)的非均勻性，高應(yīng)變速率載荷下的失效模式更復(fù)雜。在異構(gòu)金屬中，絕熱剪切帶的萌生和擴(kuò)展不同于傳統(tǒng)均勻材料，需要考慮非均勻變形帶來(lái)的影響。值得注意的是，絕熱剪切帶的變形是非均勻的。目前的線性分析方法僅僅能夠描述剪切帶萌生的開(kāi)始，進(jìn)一步分析剪切帶的擴(kuò)展及宏觀裂紋的形成，還需要考慮應(yīng)變梯度并發(fā)展非線性的分析方法（如應(yīng)變的高階導(dǎo)數(shù)等），尤其在異構(gòu)金屬材料中，采用非線性方法分析應(yīng)變硬化、應(yīng)變速率敏感性及熱軟化對(duì)絕熱剪切帶的影響是非常必要的。