高压物理学报

T/℃	ρ₀/(g·cm⁻³)	E/GPa
20	8.110	14.960
150	8.102	15.487
300	8.020	16.094

T/℃	ρ₀/(g·cm⁻³)	E/GPa
20	8.110	14.960
150	8.102	15.487
300	8.020	16.094

Materials	T/℃	C_L/(km·s⁻¹)	C_T/(km·s⁻¹)	C_B/(km·s⁻¹)	u_imp/(km·s⁻¹)	Δu/(km·s⁻¹)	σ_sp/GPa	a_ra/(m·s⁻²)
Sample Ⅰ	20	4.839	2.703	3.698	0.295	0.165	2.810	4.51
150	4.904	2.740	3.747	0.300	0.133	2.289	3.45
300	5.024	2.807	3.839	0.299	0.101	1.763	2.75
Sample Ⅱ	20	4.862	2.701	3.730	0.292	0.145	2.482	6.68
150	4.926	2.736	3.780	0.290	0.118	2.045	5.14
300	5.047	2.803	3.873	0.294	0.097	1.705	4.22

Materials	T/℃	C_L/(km·s⁻¹)	C_T/(km·s⁻¹)	C_B/(km·s⁻¹)	u_imp/(km·s⁻¹)	Δu/(km·s⁻¹)	σ_sp/GPa	a_ra/(m·s⁻²)
Sample Ⅰ	20	4.839	2.703	3.698	0.295	0.165	2.810	4.51
150	4.904	2.740	3.747	0.300	0.133	2.289	3.45
300	5.024	2.807	3.839	0.299	0.101	1.763	2.75
Sample Ⅱ	20	4.862	2.701	3.730	0.292	0.145	2.482	6.68
150	4.926	2.736	3.780	0.290	0.118	2.045	5.14
300	5.047	2.803	3.873	0.294	0.097	1.705	4.22

温度对Invar36合金力学性能及层裂损伤的影响

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唐泽明 1^,2 , 胡建波 2 , 胡昌明 2 , 陈森 2

高压物理学报 | 金属及合金材料动态损伤破坏 2026,40(8): 080107-1-080107-10

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高压物理学报 |金属及合金材料动态损伤破坏 2026 , 40 (8) : 080107-1 -080107-10

温度对Invar36合金力学性能及层裂损伤的影响

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唐泽明1^,2, 胡建波2, 胡昌明2, 陈森2

作者信息

¹西南科技大学材料与化学学院, 四川绵阳　621010

²中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理全国重点实验室, 四川绵阳　621999

通讯作者:

胡昌明（1974－），男，博士，研究员，主要从事高压物理与力学研究. E-mail：cmhu@caep.cn

陈　森（1993－），男，博士，副研究员，主要从事高压物理与力学研究. E-mail：senchen02@163.com

作者简介:

唐泽明（2001－），男，硕士研究生，主要从事材料动态力学行为研究. E-mail：13086371176@163.com

Influence of Temperature on Mechanical Properties and Spall Damage of Invar36 Alloy

Zeming TANG1^,2, Jianbo HU2, Changming HU2, Sen CHEN2

Affiliations

¹School of Materials and Chemistry, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, Sichuan, China

²National Key Laboratory of Shock Wave and Detonation Physics, Institute of Fluid Physics, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621999, Sichuan, China

出版时间: 2026-08-05 doi: 10.11858/gywlxb.20251057

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摘要

收起

通过平板冲击实验和微观表征技术，系统探究了温度对Invar36合金层裂行为的影响。利用一级轻气炮加载平台结合高温加热装置，测量了20～300 ℃温度范围内不同偏析方向样品的自由表面速度剖面及层裂强度变化规律。结果表明，Invar36合金的层裂强度随温度升高呈线性下降，高温显著弱化了其动态抗拉性能。微观损伤分析显示，室温下孔洞沿元素偏析带成核并扩展，而高温时损伤集中在晶界处，高温削弱了偏析的约束作用，且热激活位错运动促进了材料软化。研究结果揭示了温度对层裂强度和损伤机制的核心作用，为高温冲击环境下Invar36合金的抗失效设计提供了理论支撑。

关键词

Invar36合金 / 层裂 / 元素偏析 / 温度依赖性

Abstract

收起

This study systematically investigated the effects of temperature on the spall behavior of Invar36 alloy through plate impact experiments and microstructural characterization techniques. Utilizing a single-stage light gas gun loading platform combined with a high-temperature heating device, the experiments measured free surface velocity profiles and spall strength variations in samples with different segregation orientations within the temperature range of 20 ℃ to 300 ℃. Results demonstrate that the spall strength of Invar36 alloy exhibits a linear decrease with increasing temperature, with elevated temperatures significantly weakening its dynamic tensile resistance. Microstructural damage analysis reveals that at room temperature, voids nucleate and propagate along element segregation bands, while high-temperature damage concentrates at grain boundaries. Elevated temperatures reduce the constraining effect of segregation and facilitate material softening through thermally activated dislocation motion. The research elucidates the central role of temperature in governing spall strength and damage mechanisms, providing a theoretical foundation for failure-resistant design of Invar36 alloys under high-temperature impact conditions.

Key words

Invar36 alloy / spall / element segregation / temperature dependence

引用本文

唐泽明, 胡建波, 胡昌明, 陈森. 温度对Invar36合金力学性能及层裂损伤的影响. 高压物理学报, 2026 , 40 (8) : 080107-1 -080107-10 . DOI: 10.11858/gywlxb.20251057

Zeming TANG, Jianbo HU, Changming HU, Sen CHEN. Influence of Temperature on Mechanical Properties and Spall Damage of Invar36 Alloy[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2026 , 40 (8) : 080107-1 -080107-10 . DOI: 10.11858/gywlxb.20251057

正文

收起

Invar36合金因在室温附近具有极低的热膨胀系数而被广泛应用于精密仪器、航空航天及卫星设备中^[1–3]。研究表明，Invar36合金热膨胀系数异常现象源于其晶格热力学行为与磁性异常的耦合机制^[4]。Hausch等^[5]通过超声波技术对弹性常数进行了精确测量，首次发现了弹性软化与磁性转变之间的因果关系。当温度超过居里温度（约为230℃）时，材料磁性转变导致沿[110]方向传播的弹性常数显著改变，这种现象会对其动态力学响应造成影响。

层裂作为动态拉伸应力导致的内部断裂现象，是材料在冲击载荷下失效的重要形式之一，其强度受微观结构、加载条件及温度等多种因素的共同影响^[6–9]。通过分析冲击波加载下的层裂现象，可研究材料在微秒级或更短加载时间下的动态拉伸强度。Savinykh等^[10]研究了铬锰镍钢由温度变化引起的马氏体-奥氏体相变中的动态弹性极限和层裂强度，结果表明，由于钢的内部结构发生了变化，马氏体相钢的层裂强度比奥氏体相钢的强度高25%～30%。Zaretsky等^[11]研究了钨基重合金的高温冲击响应，发现合金的层裂断裂是由其基体强度控制的，且在高温下，基体中的位错运动可能完全由热激活控制。此外，Zaretsky^[12]还研究了高温下高纯镍和商业镍的层裂强度与动态屈服强度的温度依赖性，发现在镍的居里点附近，磁性转变高纯度镍的屈服强度骤增2倍，而商业镍的屈服强度骤降为原屈服强度的1/3。然而，针对极端冲击载荷下温度对Invar36合金层裂行为的影响机制还缺乏系统性研究，低热膨胀系数对其力学性能的影响也不明确。

本研究将通过平板冲击实验测量2种元素偏析方向的Invar36合金在高温环境下的层裂行为。其中，将加热装置设计成高达400 ℃的精确控温，以系统获取层裂强度随温度的变化规律，再结合回收样品的表征分析，阐明温度对Invar36合金动态力学性能的作用机制。

1 实验材料与方法

收起

1.1 实验材料

本实验采用Invar36合金棒材作为研究对象，图1系统展示了材料的微观组织和成分分布特征。通过电子背散射衍射（electron backscattering diffraction，EBSD）技术进行分析。图1(a)的反极图（inverse pole figure，IPF）表明，材料具有等轴晶粒结构并含大量退火孪晶，经统计得到初始样品的平均晶粒尺寸约为23 μm；图1(b)的近重位点阵（coincidence site lattice，CSL）图证明，退火孪晶取向差角为60°，属于Σ3晶界；电子探针显微分析（electron probe microanalysis，EPMA）图则揭示了轴向截面的镍元素分布呈现明显的带状偏析特征，如图1(c)和图1(d)所示。

采用阿基米德法测得常温下材料的初始密度ρ₀= 8.11 g/cm³。采用超声波脉冲回波法^[13]测得轴向（axial direction，AD）和径向（radial direction，RD）的纵波声速C_L分别为4839和4862 m/s，横波声速C_T分别为2703和2701 m/s；根据体波声速公式

$ {C}_{\text{B}}=\sqrt{{C}_{\text{L}}^{\text{2}}-\dfrac{4}{3}{C}_{\text{T}}^{\text{2}}} $

计算得到相应的C_B分别为3698和3730 m/s；而后，计算得到泊松比ν分别为0.273和0.277^[14]。

1.2 实验方法

采用

$\varnothing$

14 mm的一级轻气炮开展平板冲击实验^[15]，以压缩氦气为动力驱动飞片撞击样品。为了提高加载过程中样品的初始温度，在平面冲击实验的基础上，额外设计了一套加热系统，用以研究不同偏析方向Invar36合金的高温层裂行为。从直径为13 mm的棒上切下直径为10 mm、厚度为1.5 mm的圆片作为测试样品，其中，轴向方向样品为样品Ⅰ，径向方向样品为样品Ⅱ。图2为样品预热组件结构示意图。使用外径16 mm、内径10 mm的陶瓷加热环加热样品，在约5 min内将样品加热至300 ℃。在开展实验之前，使用2个热电偶测试温度分布。以布置在陶瓷加热环边缘的热电偶为该加热方案的标准温度，通过位于样品中心后表面上的热电偶监测温度。在所有测试温度下，若2个热电偶的读数差在5 ℃以内，则说明加热是均匀的。实验过程中靶室维持真空状态，以避免高温氧化对光纤信号的干扰。为了减少热传导，样品环通过3个螺钉固定到安装环上，最终与气炮炮口实现模块化对接，弹丸飞片的材质为铜，厚度为0.75 mm。实验程序与常规平板冲击实验保持一致。

2 结果与讨论

收起

2.1 自由表面速度剖面解析

分别在20～300 ℃温度范围内对2种不同方向的样品各进行3次实验，共开展了6次层裂回收实验。图3(a)和图3(b)分别展示了2个方向Invar36合金的自由表面速度分布。实验结果表明，在20～300 ℃温度范围内，2种样品均未出现相变波，仅观察到弹性前驱波（OA）、塑性波（AB）、冲击平台（BC）、卸载（CD）和层裂回拉（DE）阶段。关于波系作用与自由面速度历史曲线的对应关系已在之前的研究^[16]中说明。

图3中样品C点与D点的自由面速度之差Δu为回拉速度，可以看出，在所有情况下，Δu与温度密切相关，即随着温度的升高，Δu迅速下降，其与层裂强度密切相关，表明样品的层裂强度随温度的升高而降低。此外，在达到最小值后，速度上升至第1个峰值的速率（DE的斜率）也表现出显著差异。这种斜率改变的现象与样品损伤相关，而高温下自由面速度的较低斜率表明空隙生长速率较低。研究表明，高温下空穴增长速率的降低是由于材料黏度随温度升高而增加所致^[17]。

对于同种类型的样品，从获得的速度剖面可以看出，弹性前驱波振幅在室温和高温下几乎保持不变。然而，其他金属材料的弹性前驱波振幅会随着温度的变化而变化^[18]。Invar36合金的独特之处在于，在大气温度和压力下具有极低的热膨胀特性。由于热膨胀源于离子相互作用能量的非简谐效应^[19]，因此Invar36合金中这些项的贡献被显著抑制。Invar36合金抑制声子非简谐效应的能力与其受位错滑移阻力的影响密切相关，因为声子-位错散射和热弹性阻尼均源于非简谐效应^[20]。此外，非简谐效应的增强会降低声波群速度，从而抑制弹性波的传播。在高温或高加载速率等极端条件下，这种效应更为显著，因为声子的平均自由程会减小，导致非简谐声子散射增强。因此，位错和弹性波的阻力是非简谐性的结果。

2.2 材料参数的温度依赖性

实验中记录的2个方向Invar36合金的所有速度剖面均显示出由回拉速度Δu信号表现出的层裂特征。基于回拉速度信号Δu，可以计算出2个方向Invar36合金的层裂强度σ_sp。然而，在分析高温冲击波数据之前，需要先测得Invar36合金的热膨胀系数，如图4中的热膨胀结果所示。从热膨胀结果可以明显发现，当温度超过200 ℃时，样品长度变化更加剧烈。基于图4中热膨胀曲线上近似切线的交点分析，热膨胀行为的转变点在230 ℃的居里点附近，与材料从铁磁性到顺磁性的相变过程对应^[21]。

温度改变时样品的体积也会发生改变，利用热膨胀系数可以对密度进行温度校正，具体公式^[17]为

(1)

$ \rho {{T}}=\frac{\rho_0}{1+3{\alpha}T} $

式中：T为温度，α为线性热膨胀系数。鉴于现有文献缺乏该合金弹性模量温度依赖性的数据，本研究基于立方晶体弹性理论，通过文献[5]中的数据获取不同温度下3个弹性常数C₁₁、C₁₂和C₄₄，并通过体积模量和剪切模量计算弹性模量，从而得到弹性模量与温度的关系。其中，剪切模量G与弹性常数的关系式为

(2)

$ G=\frac{1}{2}\left({G}_{\mathrm{V}}+{G}_{\mathrm{R}}\right)=\frac{1}{10}\left[\left({C}_{11}-{C}_{12}\right)+3{C}_{44}\right]+\frac{5{C}_{44}\left({C}_{11}-{C}_{12}\right)}{6\left({C}_{11}-{C}_{12}\right)+8{C}_{44}} $

体积模量B与弹性常数的关系式为

(3)

$ B=\frac{1}{2}\left({B}_{\mathrm{V}}+{B}_{\mathrm{R}}\right)=\frac{1}{3}\left({C}_{11}+2{C}_{12}\right) $

式中：

$ {G}_{\mathrm{V}} $

、

$ {B}_{\mathrm{V}} $

分别为基于Voigt模型估算的等效剪切模量和等效体积模量，

$ {G}_{\mathrm{R}} $

、

$ {B}_{\mathrm{R}} $

分别为基于Reuss模型估算的等效剪切模量和等效体积模量。

由剪切模量和体积模量得到弹性模量E，其表达式^[22]为

(4)

$ E=\frac{9BG}{3B+G} $

估算弹性模量随温度T的变化为

(5)

$ E(T)=a\Delta T+{E}_{0} $

式中：E₀为推导得到的0 ℃时的初始体积模量，E₀=14.879 GPa；a为弹性模量的温度导数，a=0.00405。表1列出了Invar36合金的密度和弹性常数随温度的变化情况。

Invar36合金的温度相关纵向声速C_L和横波声速C_T通过推导出的弹性常数^[23]进行计算

(6)

$ {C}_{\mathrm{L}}=\sqrt{\frac{{E}_{\mathrm{T}}}{{\rho }_{\mathrm{T}}}}\sqrt{\frac{1-\nu }{\left(1+\nu \right)\left(1-2\nu \right)}} $

(7)

$ C_{\mathrm{\mathit{\mathrm{T}}}}=\sqrt{\frac{E_{\mathrm{\mathit{T}}}}{2\left(1+\gamma\right)\rho\mathit{_{\mathrm{\mathit{T}}}}}} $

式中：体波声速C_B由横波和纵波声速计算得到。这些参数对于准确估计层裂强度极其重要。

层裂强度描述了材料抵抗动态拉伸破坏的能力。由于平板冲击实验中无法直接测量内部应力，因此，层裂强度

$ {\sigma }_{\text{sp}} $

通常通过声学方法^[24–25]推导得出

(8)

$ {\sigma }_{\text{sp}}={\rho }_{\text{0}}{{C}}_{\text{L}}{\Delta }{u}\frac{\text{1}}{{1+}\dfrac{{{C}}_{\text{L}}}{{{C}}_{\text{B}}}} $

再加速（DE）阶段反映了材料在层裂过程中的损伤成核和演化特性，包括孔洞或孤立裂纹的独立生长与合并。可以通过DE的斜率^[26]估算

(9)

$ {a}_{\mathrm{r}\mathrm{a}}={\left.\frac{{\mathrm{d}u}_{\mathrm{f}\mathrm{s}}\left(t\right)}{\mathrm{d}t}\right|}_{DE} $

式中：

$ {a}_{\mathrm{r}\mathrm{a}} $

为DE阶段的再加速率，

$ {u}_{\mathrm{f}\mathrm{s}} $

为自由面速度，t为时间。

通过以上公式，表2总结了Invar36合金自由面速度剖面的解析结果，其中，u_imp为冲击速度。结果表明，层裂强度（

$ {\sigma}_{\text{sp}} $

）与温度（T）呈线性负相关，即

(10)

$ \sigma_{\text{sp}}=\sigma\mathit{_{{x}}}-\alpha_{\mathrm{\mathit{x}}}T $

式中：

$ \sigma\mathit{_{{x}}} $

和α_x为拟合参数。样品Ⅰ中，

$ \sigma $

_Ⅰ=2.84 GPa，α_Ⅰ=0.0037；样品Ⅱ中，

$ \sigma $

_Ⅱ=2.47 GPa，α_Ⅱ=0.0027。但是，磁性转变似乎没有对Invar36合金的力学性能产生明显影响。

从图5可以看出，该线性关系揭示了温度对层裂抗力的主导作用机制。在层裂的初始阶段，包括大量空隙或裂纹成核及其生长，而裂纹扩展阻力由裂纹周围的流动应力控制，所以高温会引起更强烈的孔洞成核，从而降低层裂强度。此外，随着温度的升高，元素偏析对层裂强度的影响减弱，很可能在高温下材料中的损伤形式由热激活机制主导。

2.3 回收样品的微观结构分析

为探究偏析方向与温度对Invar36合金损伤演化的耦合作用，对回收样品进行光学显微观测和EBSD表征。从图6中的光学显微照片可以看出：室温条件下，样品呈现最小损伤特征；高温条件下，损伤程度增加与材料的软化现象相关。这一现象可归因于点缺陷在高温下的自发成核，随着温度升高，部分原子获得足够能量脱离晶格平衡位置，迁移至表面或内部缺陷位置，如孔洞、晶界、位错等，降低了空隙成核的应力阈值^[17]，且热激活位错运动促进了塑性流动，加速损伤累积。此外，不同偏析方向的样品损伤形貌明显不同，元素偏析带约束了孔洞的生长方向^[27]。而轴向方向的样品受热软化和元素偏析带的共同影响，层裂面被再压回，在300 ℃时表现出较低的损伤程度。

对经不同初始温度加载后回收的样品Ⅰ和样品Ⅱ进行了EBSD表征，如图7和图8所示。与初始微观结构（图1(a)）相比，2种样品的晶粒尺寸和形貌在回收后基本保持不变，但是微观损伤机制明显改变。室温条件下，孔洞在晶界处和晶界内均成核（图7(a)和图8(a)中的白色圆圈），并沿偏析带方向分别扩展为轴向样品的微裂纹与径向样品的微孔洞，表明元素偏析对损伤路径具有约束作用。此外，结合图6光学显微镜照片可以发现，径向样品的损伤程度更高，这是由于径向样品的加载方向与偏析带垂直，在相同的冲击速度下，偏析带作为弱化区域加速孔洞的形成，从而使样品Ⅱ的层裂强度降低。

300 ℃条件下，孔洞优先在晶界处成核，如图7(c)和图8(c)中的红色圆圈处所示，大晶粒内部几乎无损伤，表明晶界为层裂薄弱区域，同时温度升高导致元素扩散加速，削弱了元素偏析对孔洞生长的钉扎约束。此外，孔洞周围晶粒呈现显著取向梯度，如图7和图8中黄色方框处所示，表明几何必需位错（geometrically necessary dislocations，GNDs）局域化聚集^[28]，且高温样品中色差区域面积增多，GNDs密度更高，这与热激活位错运动密切相关。通过孔洞附近的晶粒核平均取向差（kernel average misorientation，KAM）图可以直观地发现，300 ℃加载下样品在孔洞或裂纹附近存在更为严重的塑性变形，说明升高温度促进了位错运动，有利于孔洞的成核、生长与裂纹的形成。结合图5的层裂强度-温度曲线可以发现，损伤模式从室温的“偏析导向型”转变为高温的“晶界主导型”，导致样品Ⅰ与样品Ⅱ的层裂强度和温度拟合线斜率有显著差异。

3 结　论

收起

通过常温和高温下的平板冲击实验，研究了温度对不同偏析方向Invar36合金动态响应的影响。Invar36合金的层裂强度随温度升高呈线性下降趋势，表明高温显著削弱了材料抵抗动态拉伸破坏的能力。高温条件下，孔洞优先在晶界处成核，晶粒内部损伤减少，损伤模式转变为晶界主导型，且削弱了元素偏析带对孔洞生长的约束作用。在居里温度附近，未观察到磁性转变对力学性能的显著影响，层裂强度与温度的线性关系未出现拐点。本研究揭示了温度对Invar36合金层裂强度与损伤机制的主导作用，为极端高温冲击载荷下金属材料的动态失效预测与优化设计提供了理论依据。

参考文献

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文献

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2026年第40卷第8期

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doi: 10.11858/gywlxb.20251057

接收时间：2025-03-21
首发时间：2026-11-05
出版时间：2026-08-05

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出版历史

收稿日期：2025-03-21
修回日期：2025-04-21

基金

作者信息

¹西南科技大学材料与化学学院, 四川绵阳　621010

²中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理全国重点实验室, 四川绵阳　621999

通讯作者:

胡昌明（1974－），男，博士，研究员，主要从事高压物理与力学研究. E-mail：cmhu@caep.cn

陈　森（1993－），男，博士，副研究员，主要从事高压物理与力学研究. E-mail：senchen02@163.com

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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