炸藥參數對高錳鋼爆炸硬化性能的影響*

胡曉艷,沈兆武,劉迎彬,劉天生

(1.中北大學化工與環境學院，山西 太原 030051;2.中國科學技術大學近代力學系，安徽 合肥 230027)

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炸藥參數對高錳鋼爆炸硬化性能的影響*

胡曉艷1,2,沈兆武2,劉迎彬1,劉天生1

(1.中北大學化工與環境學院，山西 太原 030051;2.中國科學技術大學近代力學系，安徽 合肥 230027)

為了研究炸藥參數對高錳鋼爆炸硬化效果的影響，對兩種不同密度的炸藥進行爆速測試，并利用該炸藥分別對高錳鋼試樣進行爆炸硬化實驗，測試了從硬化表面向材料內部的硬度、抗拉強度和沖擊韌性隨深度的變化。測試結果表明：高錳鋼試樣在相同深度下，經過密度1.38 g/cm3炸藥3次爆炸硬化得到的硬度大于密度1.48 g/cm3炸藥2次爆炸硬化后的硬度，而沖擊韌性小于密度1.48 g/cm3炸藥作用后的沖擊韌性；從爆炸硬化表面向下15 mm內，經過密度1.38 g/cm3炸藥3次爆炸硬化得到的抗拉強度大于密度1.48 g/cm3炸藥2次爆炸硬化后的抗拉強度，但深度大于15 mm時，經過密度1.38 g/cm3炸藥3次爆炸硬化得到的抗拉強度小于密度1.48 g/cm3炸藥2次爆炸硬化后的抗拉強度。從硬化后試件的硬度、抗拉強度以及沖擊韌性這3方面考慮，使用單次爆炸沖量較小的炸藥進行多次爆炸硬化效果較好。

爆炸力學；硬化效果；爆炸硬化；高錳鋼；炸藥參數；爆炸沖量

由于高錳鋼的表面在使用初期很軟，硬化性能沒有充分發揮，導致高錳鋼在使用過程中會提前退役。為了提高高錳鋼的使用壽命，常需在使用前對高錳鋼進行硬化處理[1]。爆炸硬化技術作為一種操作簡單方便、效率高、具有較好的硬化效果的金屬硬化加工技術，被廣泛應用于高錳鋼的預硬化過程[2]。

N.A.Macleod[3]申請了第一個關于高錳鋼爆炸硬化技術的專利。從此以后，人們對高錳鋼爆炸硬化技術進行了相關深入研究。為了滿足爆炸硬化的需要，相繼給出了用于爆炸硬化的板狀炸藥的配方和性能[4]。陳維波[5]提出了兩種用于爆炸硬化的板狀炸藥，陳勇富[6]將爆炸硬化用炸藥改良為橡塑炸藥，安二峰等[7]提出一種用于爆炸硬化的高聚物粘結塑性炸藥。

在研究爆炸硬化用炸藥的同時，人們對高錳鋼爆炸硬化機理進行了廣泛的研究，通過觀察爆炸硬化后高錳鋼的微觀結構來分析高錳鋼的硬化機理。由于實驗條件不同，觀察到的微觀結構也不盡相同，因此得到的相關爆炸硬化機理也不一致。傳統的爆炸硬化機理主要包括位錯、孿晶和動態應變時效等[8]。在正常應變率和真應變大于0.15的作用下，高錳鋼的工作硬化機理主要是機械孿晶，機械孿晶的貢獻是位錯積累貢獻的兩倍[9]。在高應變率的作用下，高錳鋼的硬化機理主要是由孿晶和位錯組成[10]。但也有人認為高錳鋼爆炸硬化機理是孿晶硬化、晶粒細化[11]和位錯及孿晶的相互作用[12]、冷作硬化機理[13]，在硬化層表面是納米級變形孿晶和位錯硬化，在硬化層內部是位錯硬化，位錯和層錯硬化等[14-16]。最近，發現高密度的層錯和位錯阻止位錯運動使高錳鋼硬化[17-18]。目前，對高錳鋼爆炸硬化機理還沒有得出一致的結論。

綜上所述，對高錳鋼爆炸硬化所用炸藥、爆炸硬化后的微觀組織和性能、硬化機理等方面已有了較多的研究，但對炸藥參數與硬化效果的關系研究尚不深入，尤其對爆炸后高錳鋼的抗拉強度、沖擊韌性上未見報道。本文中，通過制備兩種不同密度的炸藥，測試其爆炸參數，并利用這兩種密度的炸藥對高錳鋼進行爆炸硬化實驗，測試高錳鋼爆炸硬化后的硬度、抗拉強度和沖擊韌性等性能，分析研究炸藥參數對高錳鋼爆炸硬化性能的影響。

1 高錳鋼爆炸硬化實驗

以黑索金為主要成分，在此基礎上添加一些成型劑和黏結劑制備成密度分別為1.48和1.38 g/cm3的高錳鋼爆炸硬化用炸藥。采用探針法測試這兩種炸藥的爆速，實驗裝置如圖1所示。

高錳鋼試件的組分為碳1.22%、硅0.45%、錳12.5%、磷0.04%、硫0.02%，其初始硬度hB=180～190。

分別將兩種密度的炸藥壓制成厚度3 mm的板狀炸藥，并將其直接貼敷在高錳鋼試件需要硬化的部位上，用8號電雷管來引爆導爆索，再用導爆管來引爆炸藥，實驗裝置如圖2所示。每種密度的炸藥對3個不同的高錳鋼試件進行爆炸硬化實驗，并測試爆炸硬化后表面硬度。

圖2 實驗裝置圖Fig.2 Assembly experimental system

利用線切割方法，分別對3個使用密度1.48 g/cm3炸藥爆炸硬化及3個使用密度1.38 g/cm3炸藥爆炸硬化的高錳鋼試件從硬化表面層向試樣內部，每隔3 mm進行切片取樣，利用布氏硬度儀HB-3000，分別在試樣的表面測試3個硬度值，將3個硬度值取其平均值作為該處的硬度值。

按照材料抗拉強度力學性能測試實驗的要求，利用線切割技術，對6個爆炸硬化后的高錳鋼試樣進行線切割，在試件的中部從爆炸硬化表面向下每隔5 mm切割出拉伸試樣，每個高錳鋼試件上取5個拉伸試樣。在室溫(25 ℃)條件下利用萬能試驗機進行拉伸實驗。

根據GB/T229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》的要求，利用線切割技術，對6個爆炸硬化后高錳鋼試件從上表面向下每隔5 mm進行取樣，每個試件共取6個試樣，試樣為U型缺口，尺寸為55 mm×10 mm×5 mm。在室溫下,利用沖擊試驗機JB-5測試試樣的沖擊韌性。

2 結果與分析

2.1 結 果

每種密度的炸藥測試3次爆速，取其平均值作為相應的爆速。測試結果如表1所示。

從表1可以看出，密度1.48 g/cm3炸藥的爆速為7.200 km/s，密度1.38 g/cm3炸藥的爆速為6.470 km/s，且都比較穩定。這說明，在配方相同的情況下，炸藥的爆速隨著密度的增加而增加。

表1 炸藥爆速測試結果Table 1 Experimental result of detonation velocity

3個使用1.48 g/cm3炸藥進行2次爆炸硬化以及3個使用1.38 g/cm3炸藥進行3次爆炸硬化的高錳鋼試件的平均硬度隨深度變化關系，如圖3所示。

從圖3可以看出，使用密度分別為1.48和1.38 g/cm3炸藥爆炸硬化的高錳鋼試件的硬化表面的硬度值增加最大，自距硬化表面約3 mm處向下硬度值緩慢降低，其硬化深度均在21 mm以上。然而，自硬化表面向下，使用密度1.38 g/cm3炸藥進行3次爆炸硬化的高錳鋼試件的硬度大于使用密度1.48 g/cm3炸藥進行2次爆炸硬化的高錳鋼試件的硬度。

使用不同密度炸藥爆炸硬化后高錳鋼試件的平均抗拉強度變化規律，如圖4所示。

圖3 爆炸硬化后試件的硬度Fig.3 Hardness variation of sample explosion hardened

圖4 爆炸硬化后試件的抗拉強度Fig.4 Tensile strength of sample explosion hardened

圖5 爆炸硬化后試件的沖擊韌性Fig.5 Impact toughness of sample explosion hardened

從圖4可以看出，使用兩種不同密度炸藥進行爆炸硬化的高錳鋼試件的抗拉強度，自硬化表面向下均呈現逐漸降低的趨勢。使用密度1.38 g/cm3炸藥爆炸硬化3次的高錳鋼試件硬化表面的抗拉強度較大，然而自硬化表面向下抗拉強度降低較快。

使用不同密度炸藥爆炸硬化后高錳鋼平均沖擊韌性變化規律，如圖5所示。

從圖5可以看出，自硬化表面向下使用兩種不同密度進行爆炸硬化的高錳鋼試件硬化表面的沖擊韌性均為最小，自距硬化表面5mm處向下其沖擊韌性基本相同。同一深度下，使用密度1.38 g/cm3進行三次爆炸硬化的高錳鋼試件的沖擊韌性較大，且硬化表面與其他深度之間沖擊韌性值相差較小。

2.2 結果分析

由于高錳鋼的爆炸硬化效果不僅受沖擊波壓力的影響，而且還受沖擊波壓力持續時間的影響，可以從炸藥爆炸作用于高錳鋼材料的沖量來分析炸藥參數對爆炸硬化的影響。高錳鋼爆炸硬化所用的炸藥為板狀，且高錳鋼試件較厚，3 mm厚板狀炸藥直接放于試件表面進行起爆，因此，可將其看成是接觸爆炸爆轟波對正面固壁的作用。由CJ爆轟理論[19]可知：

(1)

式中：p為爆轟壓力，ρ0為炸藥密度，D為爆速，k=3，為絕熱指數。

由爆炸動力學理論[20]可知：當炸藥爆炸產生的爆轟波到達高錳鋼表面，在其表面產生的壓力為：

(2)

假設裝藥的橫截面積為A，則作用于高錳鋼表面上的比沖量為：

(3)

總沖量為：

(4)

式中：I為單次爆炸硬化總沖量，p1為試件表面壓力，t為爆轟波作用時間，d為炸藥厚度。

由上述各式，可計算出單次爆炸硬化下密度1.38和1.48 g/cm3炸藥的爆轟壓力分別為14.44和19.18 GPa，在試件表面產生的壓力分別為34.23和45.46 GPa，單次爆炸硬化下對單位面積沖量分別為7 936.5和9 472 N·s。

炸藥爆炸產生的極強的沖擊波作用到高錳鋼試件表面并進入其內部，使內部材料也受到沖擊波的作用。強烈的沖擊波使高錳鋼發生較大的塑性變形，在材料表面處產生大量的層錯和位錯，高密度的層錯和位錯阻礙位錯的運動，使高錳鋼硬度增加[17]。炸藥單次爆炸后， 密度1.38 g/cm3炸藥在試件表面產生的壓力低于密度1.48 g/cm3炸藥在試件表面產生的壓力，且單次爆炸硬化下對單位面積的沖量也低于密度1.48 g/cm3炸藥單次爆炸硬化下對單位面積的沖量。因此，每次爆炸之后，密度1.38 g/cm3炸藥使高錳鋼產生的層錯和位錯的密度低于密度1.48 g/cm3炸藥使高錳鋼產生的層錯密度和位錯密度，導致密度1.38 g/cm3炸藥使高錳鋼表面硬度的增加量低于密度1.48 g/cm3炸藥使高錳鋼表面硬度的增加量。隨著爆炸次數的增加，層錯密度和位錯密度的增加量減少，使硬度的增加量減少。密度1.38 g/cm3炸藥爆炸3次的總沖量高于密度1.48 g/cm3炸藥2次爆炸硬化的總沖量，使密度1.38 g/cm3炸藥對高錳鋼進行3次爆炸硬化之后的表面硬度略高于密度1.48 g/cm3炸藥對高錳鋼進行2次爆炸硬化之后的表面硬度。

隨著深度的增加，沖擊波在高錳鋼試件中不斷衰減，衰減到不能使層錯密度和位錯密度增加為止。密度1.38 g/cm3炸藥爆炸產生的沖擊波在高錳鋼試件中的衰減速度低于密度1.48 g/cm3炸藥爆炸產生的沖擊波在高錳鋼試件中的衰減速度，從而使材料在同一深度處，密度1.38 g/cm3炸藥爆炸硬化3次的硬度高于密度1.48 g/cm3炸藥爆炸硬化兩次的高錳鋼試件的硬度。

在強烈沖擊波的作用下，高錳鋼試樣吸收炸藥爆炸作用產生的能量，發生嚴重的塑性變形，在材料內產生大量的層錯和位錯，高密度的層錯和位錯阻礙位錯的運動，在使高錳鋼硬度增加的同時也使其抗拉強度增加。隨著深度的增加，層錯密度和位錯密度下降，從而使硬度和抗拉強度隨深度的增加而降低。在距離爆炸硬化表面15 mm以內的材料，經過密度1.38 g/cm3炸藥爆炸硬化3次的高錳鋼試件承受的沖量高于密度1.48 g/cm3炸藥爆炸硬化兩次的高錳鋼試件承受的沖量，相應的抗拉強度也較大。在距爆炸硬化表面15 mm以下部分，因為密度1.38 g/cm3炸藥在試件表面產生的壓力低于密度1.48 g/cm3炸藥在試件表面產生的壓力，其在高錳鋼試件內部的傳播距離較短，使其總沖量低于密度1.48 g/cm3炸藥作用的總沖量，從而使密度1.38 g/cm3炸藥爆炸硬化之后得到試件的抗拉強度低于密度1.48 g/cm3炸藥爆炸硬化之后得到試件的抗拉強度。

在經受較大壓力的沖擊作用下，高錳鋼試件表面發生了較大的塑性變形，在材料內部產生大量的層錯和位錯，在界面塞積處可能產生應變集中，導致其沖擊韌性降低[17]。由于表面材料受的沖擊最大，在界面塞積處產生應變集中最大，最終導致經過爆炸硬化后的高錳鋼試件表面的沖擊韌性小于材料內部的沖擊韌性。由于單次爆炸作用后，密度1.48 g/cm3炸藥在試件表面產生的沖量高于密度1.38 g/cm3炸藥在試件表面產生的沖量，從而使在界面塞積處產生應變集中較大，并且隨后爆炸作用使層錯和位錯密度增加困難，從而使應變集中增加也較少，最終使密度1.38 g/cm3炸藥3次爆炸產生的應變集中低于密度1.34 g/cm3炸藥爆炸2次產生的應變集中。因此，密度1.38 g/cm3炸藥爆炸3次作用下的高錳鋼試件的沖擊韌性大于密度1.34 g/cm3炸藥爆炸2次作用下的高錳鋼試件的沖擊韌性。沖擊韌性是反映材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力。沖擊韌性越大，其抗擊沖擊的能力越強。

3 結 論

使用不同密度炸藥進行不同爆炸硬化次數下高錳鋼試件的硬度、抗拉強度以及沖擊韌性的實驗測量，得出以下結論：

(1)在相同深度的情況下，密度1.38 g/cm3炸藥進行3次爆炸硬化后高錳鋼試件的硬度高于密度1.48 g/cm3炸藥進行2次爆炸硬化后高錳鋼試件的硬度。

(2)從爆炸硬化表面向下15 mm內，密度1.38 g/cm3炸藥進行3次爆炸硬化后高錳鋼試件的抗拉強度高于密度1.48 g/cm3炸藥進行2次爆炸硬化后高錳鋼試件的抗拉強度，但深度在15 mm以上時，密度1.38 g/cm3炸藥進行3次爆炸硬化后高錳鋼試件的抗拉強度低于密度1.48 g/cm3炸藥進行2次爆炸硬化后高錳鋼試件的抗拉強度。

(3)在相同深度的情況下，密度1.38 g/cm3炸藥進行3次爆炸硬化后高錳鋼試件的沖擊韌性高于密度1.48 g/cm3炸藥進行2次爆炸硬化后高錳鋼試件的沖擊韌性。

(4)從硬化后試件的硬度、抗拉強度以及沖擊韌性這3方面考慮，使用單次爆炸沖量較小的炸藥進行多次爆炸硬化效果較好。

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(責任編輯 丁 峰)

Influence of explosive parameter on the performance of explosion hardening of Hadifield steel

Hu Xiao-yan1,2, Shen Zhao-wu2, Liu Ying-bin1, Liu Tian-sheng1

(1.SchoolofChemicalEngineeringandEnvironment,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,Shanxi,China;2.DepartmentofModernMechanics,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230027,Anhui,China)

In order to study the influence of explosive parameter on the effect of explosion hardening of the Hadifield steel, detonation velocities of two different densities of explosive were tested respectively. The variation of internal hardness, tensile strength and impact toughness from the hardened surface to inside the material with depth was tested respectively. The hardness and impact toughness of the sample for triple explosion with the density of 1.38 g/cm3are larger than those for twice explosion with the density of 1.48 g/cm3at the same hardening depth. The tensile strength for triple explosion with the density of 1.38 g/cm3is higher from the surface to 15 mm below the hardened surface but is lower from 15 mm down. For the hardness, tensile strength and impact hardened toughness consideration, the effect of explosion hardening for the smaller single impulse is better.

mechanics of explosion; hardening effect; explosion hardening; Hadifield steel; explosive parameter; explosion impulse

10.11883/1001-1455(2015)02-0255-06

2013-07-11；

2013-12-04

國家自然科學基金項目(11072222)

胡曉艷(1985— )，女，博士研究生，huxy85@mail.ustc.edu.cn。

O346.4 國標學科代碼： 1301540

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