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文|雾归

编辑|雾归

焊接OFE铜样品的断裂伸长率在所有应变速率下保持不变，而铌样品的延展性在大于或等于20s的应变速率下降低−1并且在大约400秒时达到最小值−1。焊缝对非标准化短试样几何形状的影响，为获得10数量级的应变率而开发的该研究3s−1对于铌来说，由于在熔化区的大晶粒尺寸(高达1200微米),更为显著。然而，相对于标准样品，在低应变速率下测量了可比较的强度和延展性趋势。

介绍

SRF腔的作用，如图一所示。一是在粒子加速器中加速带电粒子，如电子或质子，使其接近光速，以产生高能碰撞，用于粒子物理的基础研究，如在大型强子对撞机上发现希格斯玻色子在制造1300MHz无缝腔体的过程中，如图一b所示。

高延展性是必需的，因为高纯度铜或铌管的直径(初始内径为123-150mm)减小到70mm以形成虹膜，并通常通过液压成形在赤道处膨胀到约205mm。已经在多个研究机构、大学和公司成功地制造了用于不同谐振频率的无缝腔体。然而，管通常具有各向异性的性质或低延展性，如果它们是通过等通道转角挤压(ECAE)生产的话。

已经提出使用弯曲的电子束(EB)焊接板来制造管，因为板的各向同性特性预期在管的大部分中保持不变，并且焊缝将仅在单个位置穿过赤道。然而，对于由意大利核物理研究所(INFNLNL)和德国电子同步加速器(DESY)的莱纳罗国家实验室制造的管子，熔合区和热影响区(HAZ)中的大晶粒降低了其在低应变速率下的延展性。

外径为38mm的小管也是通过弯曲的2mm厚的多晶铌板的电子束焊接生产的，然后对其进行热处理以生长大晶粒，最后在密执安州立大学(MSU)通过液压成形进行变形，管子在焊缝附近的大晶粒内部失效，具有各向异性和低延展性。

采用电动液压成形(EHF)等技术的高速板材成形对于这种应用可能是有益的，因为塑性流动局部化的发生被延迟，并且在膨胀过程中一些金属的失效应变增加或由于板材-模具相互作用的复杂应力状态。

此外，在高应变率下用EHF和用涂覆有铌的无氧电子(OFE)铜衬底形成的SRF腔的性能高于传统的旋转和机械加工的腔。与传统的低应变速率技术相比，受损层更薄，形状精度更高，并且对于用EHF形成的铌腔，不需要中间退火热处理。

在欧洲核子研究中心和测量了电子束焊接高纯铌试样的拉伸力学性能在大约3×10的准静态标称应变率下−4s−1但绝不会在中等或高应变率下。

与合金相比，如双相钢，高纯铜和铌是单相金属，具有低含量的替代原子和间隙原子。预计焊缝和HAZ将具有与母材相同的相和成分，而应变不均匀性预计仅由不同的晶粒尺寸引起。

据我们所知，电子束焊接的OFE铜和高纯度铌的机械性能在应变速率大于准静态范围，即在10−4–10−3s−1范围。在目前的研究中，两种材料的屈服和抗拉强度和延展性在10−3s−1大约10个3s−1并与在相似应变速率下测试的未焊接试样的数据进行比较。

目的是量化和理解应变率对电子束焊接OFE铜和高纯度铌的机械性能的影响，以便使用高速薄板成形技术从弯曲和电子束焊接管制造无缝SRF空腔。

材料

无氧电子(OFE)铜(ASTMC10100)和高纯铌(剩余电阻率比(RRR)>300)薄板。这两种材料都被用作制造超导射频(SRF)腔的衬底。使用相同的电子束参数(加速电压为100kV，电流为22–23ma，工件距离为400mm，束速为600mm/min)，在CERN对初始厚度为4mm的薄板进行电子束焊接，在薄板的每一侧进行一次焊接。

与其他报道的高纯铌电子束焊接参数相比，焊接能量与板材厚度的比率较低。然而，在欧洲核子研究中心以前的内部研究中，用相似的焊接能量观察到了完全渗透。对焊接板的顶面和底面进行铣削，以去除焊接过程中产生的表面缺陷，并获得平坦表面。

使用电火花线切割加工(EDM)切割拉伸样品。按照ISO4136:2012标准,焊缝位于测量截面的中心，并垂直于拉伸方向。电子束焊接后，OFE铜试样在真空中于600℃退火2h。进行加工和退火步骤是为了代表蟹腔板材成形过程中的材料条件以及未来使用弯管和电子束焊接管的无缝SRF腔体。

硬度测量和微观结构分析

使用维氏压头和200gf(~1.96N)的载荷施加10秒，测量抛光样品横截面焊缝的硬度。测量在母材、HAZ和熔合区进行。

未变形的电子束焊接试样的横截面被抛光和蚀刻，以便用光学显微镜进行微观结构分析。用5gFeCl溶液蚀刻铜350毫升盐酸和100毫升氢气2o和铌用15毫升HF、35毫升HNO3和75毫升高2O。

拉伸试验在室温和2.0×10的标称应变率下进行−3s−1至20岁−1使用伺服液压机(MTS810)和拉伸分离霍普金森杆，应变速率为400s−1到17世纪−1。图2显示了使用的两种样品几何形状及其主要尺寸。符合ASTME8标准的长拉伸试样，用于准静态应变率测试(10−3s−1到10−1s−1)。

一个较短的矩形截面试样是专门为高应变率下的霍普金森杆试验设计的。短试样在整个应变率范围内进行测试(2.0×10−3s−1至17世纪中叶−1).为了评估新型试样的应力状态接近单轴拉伸，进行了未焊接OFE铜的初步试验和有限元计算。

他们表明应力三轴分量可以忽略不计，颈缩前的机械性能与标准试样相同。这一点也在“结果和讨论“应变率约为10的焊接试样的截面−3s−1和10−1s−1。

样品在厚度部分涂有均匀的无光泽白色涂料层和黑色斑点。随机涂料图案与2D数字图像相关(DIC)一起使用，以测量应变截面中的局部变形和试样伸长，从而计算工程应变。使用商业软件包GOMCorrelate进行DIC分析，平均子集大小和点距离分别为248微米和123微米，用于应变率低于或等于20s的测试−1和437微米和136微米。

通过使用位于焊缝两侧约2.5mm处的两点之间的距离变化来计算试样的工程应变，从而将颈部平面外位移对2DDIC测量值的影响降至最低(见”机械性能”部分了解更多详细信息)。对于应变率低于或等于2.0×10的情况，用混合CCD/CMOS照相机(pco.edge5.5)获得试样的照片−1s−1以及用于更高应变率的两个高速摄像机(MTS810测试中的IDTOS8-S3和Hopkinsonbar测试中的PhotronFASTCAMSA1.1)。

拉伸分离霍普金森试验使用欧洲委员会联合研究中心(JRC)霍普金森杆实验室(HopLab)设计的杆装置进行。输入和输出杆由17-4H不锈钢制成(E=197GPa，ρ=7780千克/米3，且=10mm),长度如图3所示。

与传统的分离式霍普金森杆系统相比，拉伸应变脉冲不是通过投射撞击杆产生的，而是通过预应变输入杆的一部分产生的，使用液压千斤顶对钢筋进行预应变，使用液压夹具保持和释放应变脉冲，如图3所示。

应变脉冲足够长，使试样变形直至破坏。它是用三个应变仪在输入和输出杆上测量的。在铌发生颈缩之前，应变率大致保持不变，而铜的应变率下降了约30–40%。然而，相对于杆的长度而言，长应变脉冲会在带有应变片的杆的截面中产生重叠的入射波、反射波和透射波。

因此，Bussac等人提出的算法用来分离向不同方向传播的波。这种技术要求每根钢筋至少进行两次独立的应变测量，并允许在钢筋的任何位置重建应变历史。关于这种技术实现的更多细节可以在Peroni等人的工作中找到。

硬度测量和微观结构分析

图4显示了铌和OFE铜的维氏显微硬度曲线，作为与焊缝距离的函数。铌的硬度在熔合区、HAZ和母材中几乎是恒定的(在53HV0.2和58HV0.2之间变化)。姜等人也获得了类似的数值与距离焊缝中心超过80mm的区域(49HV0.3至55HV0.3)相比，他测得HAZ的硬度更高(55HV0.3至60HV0.3)。

由于真空室内的真空，几乎恒定的硬度与材料的高纯度和电子束焊接过程中的低污染相一致。在OFE铜样品中测量到较大的硬度变化。熔合区的硬度最高，最大值为58.2HV0.2，热影响区的硬度最低，平均值为41.5HV0.2，试样母材的硬度居中，平均值为47.1HV0.2。

熔合区较高的硬度可能是由多种因素共同作用的结果，例如具有较小晶粒的再结晶微结构和焊接过程引起的残余应力并且不能通过焊后退火热处理完全去除。尽管熔合区的硬度性质不均匀，但测得的拉伸机械性质，即直到颈缩的应力-应变曲线，与未焊接的试样相似(“机械性能"断面)和断裂发生在熔合区的区域("应变不均匀性和颈缩”一节)。

图5显示了焊接OFE铜和铌样品横截面的蚀刻微观结构，揭示了晶粒和退火孪晶。OFE铜试样热影响区的晶粒比母材和熔合区的晶粒大。退火孪晶在HAZ和母材中也可见，但在焊缝中心不可见，焊缝中心的晶粒边缘较光滑，通常会汇聚到晶体成核可能开始的区域。

铌样品，如图5所示。与母材(20-200微米)相比，在靠近焊缝中心和热影响区(500-1200微米)具有更大的晶粒。姜等人对高纯度铌的电子束对接焊缝测量了类似的晶粒尺寸。

机械性能

图6比较了短试样和长试样的工程应力-应变曲线。对于相同数量级的准静态应变率(10−3s−1和10−1s−1)和类似的机械性能是在颈缩前测量的，即在标称应力达到其最大值之前。使用DIC，通过测量最初分开约5mm的两点之间的位移，并使用拉伸机十字头的位移计算长样品的应变。

基于使用已知材料特性的未焊接OFE铜样本的准静态拉伸试验的有限元模型，选择5mm的初始标距长度。对于给定的标距长度，使用模拟试样的输出力和位移计算应力-应变曲线，并与预期响应进行比较。长试样和短试样机械性能的相似性证实了使用DIC和短试样几何形状的方法适用于表征焊接试样的拉伸机械性能(屈服应力和极限拉伸应力)。

测量了电子束焊接无氧铜和高纯铌的拉伸力学性能−3s−1至17世纪中叶。报道了焊缝和应变速率对两种材料的强度和延展性的影响。对于铌，报道了应变率低于或等于20s的电子束焊接和未焊接样品的类似屈服和抗拉强度。

在最高应变速率下，未焊接试样的强度较高。当应变率大于2.0×10时，测得延性降低−1s−1并且在大约400秒时达到最小值。在铌样品的熔合区测量到大晶粒(高达1200微米)，这可能解释了这种材料的标称断裂应变再现性较低的原因。