TC21鈦合金絕熱剪切帶內(nèi)微觀組織與性能研究

楊謀

（重慶電訊職業(yè)學院，重慶，402247）

TC21鈦合金絕熱剪切帶內(nèi)微觀組織與性能研究

楊謀

（重慶電訊職業(yè)學院，重慶，402247）

本文采用分離式霍普金森壓桿（Hopkinson Bar）裝置系統(tǒng)，對TC21鈦合金進行室溫高應變速率（700～2100s-1）動態(tài)剪切試驗，通過光學顯微鏡、顯微硬度分析儀及掃描電鏡研究了TC21鈦合金絕熱剪切帶內(nèi)微觀組織與性能。結果表明：絕熱剪切帶寬度約為10μm，由過渡區(qū)域的變形組織和中間部位的細小等軸晶組成，剪切帶內(nèi)等軸晶粒表現(xiàn)為各向同性；剪切帶內(nèi)的顯微硬度值高于基體組織，是由應變速率強化和應變強化與熱軟化相互作用的結果。

TC21鈦合金；絕熱剪切帶；微觀組織；顯微硬度

隨著戰(zhàn)機、火箭、衛(wèi)星、輕武器等對輕量化、高可靠性的要求越來越高，輕質、高強高韌、高損傷容限型結構鈦合金成為新一代武器裝備的骨干材料之一，如美國第四代戰(zhàn)斗機F-22，使用了占結構重量41%的鈦合金，其中最主要的兩種是損傷容限型的Ti-6A1-4V ELI和Ti-6-22-22S鈦合金[1-4]。TC21鈦合金是在Ti-6-22-22S鈦合金的基礎上，由我國自主研制的高強度、高模量、高損傷容限型α+β鈦合金。該合金室溫抗拉強度Rm≥1100MPa、伸長率A≥8%、斷裂韌性KIC≥70MPa ，在△K=11MPa 時，裂紋擴展速率達到10-5～10-6mm/N級，具有良好的綜合力學性能與焊接性能[5-7]。

據(jù)現(xiàn)有的文獻資料分析，關于熱處理溫度與時間、冷卻速率、變形程度等對TC21鈦合金微觀組織結構與力學性能的研究已多有報道，人們發(fā)現(xiàn)，通過不同的熱處理工藝與成形條件，能夠加工出性能優(yōu)異的構件[8-12]。而對于動態(tài)沖擊載荷作用下，高應變速率對TC21鈦合金絕熱剪切帶內(nèi)微觀組織與性能影響方面的研究還少見報道，還不清楚高應變速率下，TC21鈦合金微觀組織與性能的變化?？紤]TC21鈦合金在導彈戰(zhàn)斗部、戰(zhàn)機起落架等承力結構件上的應用，為此開展動態(tài)沖擊載荷作用下，鈦合金微觀組織與性能的變化研究十分必要，對拓展TC21鈦合金的應用領域與成形工藝具有重要的意義。

本文采用分離式霍普金森壓桿（Hopkinson Bar）裝置系統(tǒng)，對熱處理后的TC21鈦合金帽形試樣進行動態(tài)強迫剪切試驗，分析其絕熱剪切帶內(nèi)的微觀組織結構與性能變化。

1 試驗材料及方法

試驗用材料為TC21鈦合金，采用真空自耗電弧爐多次熔煉制得3t重的大鑄錠，TC21鈦合金α+β→β相轉變溫度 為970±5℃，在2500t徑向鍛機上完成鑄錠的開坯鍛造及（α+β）相區(qū)終鍛造，制得φ210mm規(guī)格的棒材，其化學成分如表1所示。對鍛造成形的棒材進行退火熱處理，熱處理工藝為940℃保溫1h后空冷+580℃保溫4h后空冷，得到的顯微組織如圖1所示，主要由等軸α相、條狀的初生α相及β轉變組織組成。

表1 TC21鈦合金的化學成分

圖1 TC21鈦合金退火后的顯微組織

動態(tài)沖擊剪切試驗在φ12.7mm分離式Hopkinson壓桿系統(tǒng)上進行，實驗原理及裝置參見文獻[13]，動態(tài)沖擊剪切試樣如圖2所示，試驗條件為：撞擊桿長度為200mm，打擊氣壓為0.2MPa，平均應變率分別為700s-1、1400s-1、2100s-1。將室溫動態(tài)沖擊變形后的試樣沿軸線切開，經(jīng)研磨、機械拋光、腐蝕后在OLYPUS PME3型光學顯微鏡下觀察試樣微觀形貌及特征。采用HMV-2型金相顯微硬度分析儀對絕熱剪切帶內(nèi)組織、基體組織進行性能測試。采用掃描電子顯微鏡自帶的EBSD系統(tǒng)對絕熱剪切帶內(nèi)的晶體取向進行分析。采用Tecanai G2 20透射電子顯微鏡分析絕熱剪切帶及其周圍的組織結構。

2 試驗結果與討論

2.1 高應變速率下的力學響應

圖3所示的曲線表征了TC21合金材料從動態(tài)加載開始到產(chǎn)生絕熱剪切帶的承載時間，承載時間越長，表明該材料對絕熱剪切越不敏感，反之則越敏感。從圖中的曲線可以得出，隨應變速率的增加，應力塌陷時間向左移動，即在應變速率700s-1下，TC21合金的承載時間約為80μs，當應變速率升高到2100s-1時，TC21合金的承載時間降到40μs，表明TC21合金材料的絕熱剪切敏感性隨應變速率的升高而增加。

對圖中的曲線進一步分析還可得出，試樣在剪切變形過程中大致經(jīng)歷了3個階段：第Ⅰ階段，流變應力隨承載時間的增加而增加，主要是由于變形初期剪切區(qū)內(nèi)晶粒在壓應力和剪切應力的共同作用下，沿著剪切方向晶粒組織產(chǎn)生拉長變形；第Ⅱ階段，流變應力隨著承載時間的增加基本不發(fā)生變化，主要是由于應變、應變速率增加導致的加工硬化效應，絕熱溫升而引起的熱軟化效應，兩者之間交互作用；第Ⅲ階段，熱軟化超過了應變硬化和應變率硬化的總和，發(fā)生了熱粘塑性失穩(wěn)，并形成了絕熱剪切帶，導致試樣的承載能力下降，最終發(fā)生剪切破壞失效。

圖4、圖5分別為TC21合金在應變速率1400s-1、2100s-1下的應力-應變曲線。從圖中的曲線可以得出，在相同的試驗條件下，同一組試驗的重現(xiàn)性非常好（每組試樣共5件）。在應變速率為1400s-1時，最終失效應變在21～25%左右；當應變速率提高到2100s-1時，最終失效應變在17～22%左右。隨著應變速率的提高，TC21合金表現(xiàn)出穩(wěn)定的應變率強化效應，導致失效應變降低。

2.2 微觀組織結構分析

圖6(a)所示為絕熱剪切帶微觀形貌的金相顯微照片。從圖中可見，絕熱剪切帶沿剪切方向（如圖6中箭頭所示）形成一條貫穿整個剪切區(qū)的“白亮帶”。圖6(b)所示為絕熱剪切帶的局部區(qū)域放大照片。從圖中可見，絕熱剪切帶的寬度約為10μm，是基體組織α晶粒尺寸的2～3倍；絕熱剪切帶兩側邊緣晶粒為拉長變形的長條狀結構，與基體組織存在明顯的界面；絕熱剪切帶中部的晶粒組織十分細密，在光學顯微鏡下不能夠分辨出來。

2.3 性能分析

圖2 動態(tài)剪切試樣

圖3 高應變速率下TC21合金的應力-時間曲線

圖4 TC21合金在應變速率1400s-1下動態(tài)剪切應力-應變曲線

圖5 TC21合金在應變速率2100s-1下動態(tài)剪切應力-應變曲線

圖6 絕熱剪切帶金相顯微組織

圖7 顯微硬度測試示意圖

圖8 顯微硬度曲線

圖7 所示為絕熱剪切帶組織與基體組織的顯微硬度測試點分布，圖8所示為顯微硬度值分布。在圖7中所示意的每個圓圈周圍測試3次取平均值，代表該點的顯微硬度值。從圖8中可以得出，絕熱剪切帶內(nèi)的顯微硬度值高于基體約20HV0.025?；w本身具有很高的顯微硬度，絕熱剪切帶內(nèi)的顯微硬度僅在基體的基礎上稍有提高，這是由于在高應變速率作用下，剪切帶內(nèi)應變速率強化和應變強化與熱軟化相互作用的結果，導致晶粒組織細化，從而提高其硬度值。

3 結論

（1）TC21鈦合金隨應變速率的提高絕熱剪切敏感性增加，同時應變率強化效應增強，在金相顯微鏡下剪切區(qū)域呈一條白亮帶。

（2）TC21鈦合金絕熱剪切帶與基體過渡區(qū)域為拉長變形組織，寬度約為0.5μm，具有較高的位錯密度；絕熱剪切帶中部組織具有等軸、無畸變、晶粒內(nèi)部無位錯或低密度位錯的結構特征，等軸晶粒表現(xiàn)為各向同性。

（3）TC21鈦合金在高應變速率作用下，應變速率強化和應變強化與熱軟化相互作用的結果，導致剪切帶內(nèi)晶粒組織細化，絕熱剪切帶內(nèi)的顯微硬度值比基體高20HV0.025左右。

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楊謀（1982-），女，重慶人，講師，主要研究方向為輕合金材料及塑性成形技術。