側(cè)向稀疏波對(duì)Ti- 6Al- 4V合金層裂行為的影響

張峰浩，廖雪松，劉 青，李朋輝，楊華楠，趙慧林，古曉飛

(1.重慶紅宇精密工業(yè)有限責(zé)任公司， 重慶 402760； 2.北京理工大學(xué)， 北京 100081)

Ti- 6Al- 4V合金因其高的比強(qiáng)度、良好的耐蝕性等優(yōu)異的綜合性能，使其在戰(zhàn)斗部及裝甲防護(hù)等軍用材料領(lǐng)域頗具應(yīng)用價(jià)值。Ti- 6Al- 4V合金材料在使用過程中，承受高應(yīng)變率甚至超高應(yīng)變率下的載荷作用，表現(xiàn)出與準(zhǔn)靜態(tài)載荷作用下很不相同的力學(xué)行為，如絕熱剪切變形破壞、層裂等，因此相關(guān)的研究工作受到了持續(xù)關(guān)注[1-6]。層裂是在材料自由表面產(chǎn)生的拉伸波應(yīng)力幅值高于材料的動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度極限后，材料內(nèi)部將在某一特定位置發(fā)生動(dòng)態(tài)斷裂，與基體分離的裂片稱作痂片。層裂作為金屬材料在高應(yīng)變率條件下的一種特殊的斷裂模式，一直受到力學(xué)及材料界學(xué)者們的廣泛關(guān)注，層裂也是鈦合金在沖擊載荷作用下常發(fā)生的破壞方式，開展層裂機(jī)理研究，對(duì)其在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用有著深刻的意義[4-6]。

早在20世紀(jì)初，Hopkinson就在一系列低碳鋼接觸爆炸實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了層裂破壞現(xiàn)象[4]，即材料內(nèi)部在反射拉伸波作用下的微損傷形核、長(zhǎng)大、連接，進(jìn)而形成宏觀裂紋導(dǎo)致材料破壞分離的過程。作為Ti- 6Al- 4V合金層裂行為的早期研究代表，Me-Bar 等發(fā)現(xiàn)在晶粒較細(xì)小的雙態(tài)組織Ti- 6Al- 4V合金中，層裂微損傷主要形核于等軸α相晶界和α/β簇中；而在Ti- 6Al- 4V合金晶粒較粗大的層片組織中，微損傷主要在β相界或其晶粒內(nèi)的針狀α相中形核，并且微裂紋形成后會(huì)繼續(xù)沿α、β晶界、α/β板條束、或馬氏體束擴(kuò)展，并最終形成宏觀裂紋[7]。Arrieta[8]等在研究Ti- 6Al- 4V合金室溫加載條件下的層裂行為時(shí)，發(fā)現(xiàn)合金微損傷形核除了可以在α相晶界處、α/β簇中發(fā)生外，在三叉晶界處亦可發(fā)生。Tyler等[9]在對(duì)雙態(tài)組織低間隙Ti- 6Al- 4V合金層裂行為的研究中也發(fā)現(xiàn)，微損傷形核位置多集中于初生α相內(nèi)及α相與α/β簇之界面處。本課題組前期在研究層片組織低間隙Ti- 6Al- 4V合金的層裂行為時(shí)也注意到，微裂紋沿α/β板條束擴(kuò)展，并且由于不同區(qū)域內(nèi)α/β板條束取向互異，微裂紋在擴(kuò)展時(shí)會(huì)形成幾字形路徑[10]。

綜上所述，α、β、α/β簇內(nèi)及各相間界面處均可成為Ti- 6Al- 4V合金層裂微損傷的形核部位。微損傷形核之后，繼續(xù)長(zhǎng)大，并相互連接形成微裂紋。微裂紋最終擴(kuò)展形成宏觀裂紋造成層裂破壞。在以上研究中，合金均是在一維應(yīng)變條件下發(fā)生層裂。但是，在軍品實(shí)際應(yīng)用中，靶板的橫向尺寸不可能無限大，故當(dāng)平面沖擊波進(jìn)入靶板后必然在其側(cè)向自由表面形成反射稀疏波對(duì)一維應(yīng)變狀態(tài)產(chǎn)生干擾[11]。為滿足軍品某些項(xiàng)目后期升級(jí)改進(jìn)，本研究將討論稀疏波對(duì)Ti- 6Al- 4V合金層裂行為的影響規(guī)律，對(duì)今后Ti- 6Al- 4V合金相關(guān)產(chǎn)品的改進(jìn)具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用材料為Φ80mm的Ti- 6Al- 4V合金棒，其主要化學(xué)成分如表1。金相試樣取于棒材中心位置，組織如圖1，板條α相于β基體中析出形成α/β簇。

表1 化學(xué)成分

圖1 Ti- 6Al- 4V合金的金相組織

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

平板撞擊實(shí)驗(yàn)用一級(jí)高壓氣體炮，其發(fā)射管內(nèi)徑及長(zhǎng)度分別為Φ57 mm和12.5 m。裝靶前使用百分表調(diào)平靶架，確保撞擊平行度優(yōu)于1×10-3rad。靶室內(nèi)含回收艙，為防止試樣飛入后與艙壁發(fā)生二次撞擊，回收艙內(nèi)壁包裹一定厚度橡膠墊并填充碎布作為緩沖物，以便對(duì)加載后的試樣進(jìn)行“軟回收”。

為避免由于阻抗不匹配而導(dǎo)致波系復(fù)雜化，實(shí)驗(yàn)以對(duì)稱碰撞方式進(jìn)行，即飛片、蓋板、背板和靶板等均為相同材料，均取于Ti- 6Al- 4V合金棒材中間位置，且端面法線與合金棒材軸向平行。通常情況下，若忽略傳感器及膠層厚度，并將蓋板、靶板及背板視為一體。飛片直徑須大于總厚度(蓋板、靶板和背板厚度之和)的2倍，才能保證沖擊波在加載過程中靶板前表面不產(chǎn)生受側(cè)向稀疏波影響的區(qū)域。

因此，為對(duì)比側(cè)向稀疏波對(duì)合金層裂行為的影響，兩組實(shí)驗(yàn)裝置中背板厚度分別為20 mm和10 mm，分別如圖2(a) 、圖2 (b)所示。每組實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)試3發(fā)，各組實(shí)驗(yàn)裝置編號(hào)及預(yù)沖擊壓力列于表2。實(shí)驗(yàn)中側(cè)向稀疏波干擾區(qū)域可用邊側(cè)稀疏角α來表征[11]。

其中，C為材料在特定沖擊壓力下的絕熱聲速，D和μ分別為沖擊波波速和粒子速率，通常情況下α最大值為45°。忽略膠層及傳感器厚度，1、3～3號(hào)實(shí)驗(yàn)裝置中蓋板、靶板及背板總厚度(32 mm)超過飛片直徑(54 mm)的1/2，沖擊波加載過程中，陰影區(qū)域符合一維應(yīng)變狀態(tài)，但背板前表面存在受側(cè)向稀疏波影響的區(qū)域。根據(jù)層裂基本理論可知[6]，此時(shí)層裂發(fā)生區(qū)域。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置

編號(hào)飛片直徑/mm蓋板厚度/mm靶板厚度/mm背板厚度/mm預(yù)沖擊壓力/GPa15421020525421020735421020104542101055542101076542101010

2 結(jié)果與討論

2.1 層裂的宏觀特征

實(shí)驗(yàn)所測(cè)各編號(hào)實(shí)驗(yàn)裝置的靶內(nèi)壓力列于表3中。將加載后的背板沿直徑剖開，其形貌如圖3所示。沖擊壓力低于5.40 GPa時(shí)，1號(hào)和4號(hào)背板縱剖面無明顯變化。沖擊壓力增至約7.00 GPa后，在2號(hào)和5號(hào)背板中均可觀察到一條宏觀裂紋(箭頭所指位置)，裂紋距背板自由面約3 mm。當(dāng)加載壓力增加到10.24 GPa時(shí)，3號(hào)Ti- 6Al- 4V合金背板明顯開裂，形成痂片，并于其自由表面形成圓弧狀隆起。而在10.79 GPa壓力作用下6號(hào)背板已發(fā)生完全層裂破壞。

表3 Ti- 6Al- 4V合金靶內(nèi)加載壓力

圖3 經(jīng)不同幅值沖擊波作用后鈦合金背板的層裂宏觀形貌

2.2 層裂的微損傷形核及擴(kuò)展

圖4～圖6分別為經(jīng)不同幅值沖擊波作用后各Ti- 6Al- 4V合金背板中背板剖面中心位置(圖3方框處)層裂微損傷的顯微照片。當(dāng)1號(hào)和4號(hào)裝置分別經(jīng)5.40 GPa和4.08 GPa沖擊波作用后，僅在背板中觀察到很少量離散分布的微孔洞(圖4(a)和圖4 (b)中箭頭所示)，未發(fā)現(xiàn)裂紋。這些微孔洞多形核于α/β板條束中。

圖4 不同幅值沖擊波作用后Ti- 6Al- 4V合金背板中的微觀損傷

2號(hào)和5號(hào)裝置分別經(jīng)幅值為7.00 GPa和6.39 GPa的沖擊波作用后，Ti- 6Al- 4V合金背板中均已產(chǎn)生肉眼可見的宏觀裂紋。如圖5(a)和圖5 (d)所示，于低倍光鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，背板中主裂紋基本與沖擊方向垂直，可見在背板中心軸線附近，由壓縮應(yīng)力波反射成為的拉伸波起到主導(dǎo)作用。然而，將圖5(a)中部分區(qū)域(方框位置)放大后觀察發(fā)現(xiàn)，在遠(yuǎn)離背板中心軸線的區(qū)域，產(chǎn)生了絕熱剪切帶(圖5(b)和圖5(c)中箭頭所指處)。且這些位置的微裂紋明顯有沿絕熱剪切帶擴(kuò)展并連接的趨勢(shì)；將圖5(d)中方框區(qū)域放大后(圖5(e)所示)發(fā)現(xiàn)了與圖5(c)中類似的擴(kuò)展路徑。圖5(e)中箭頭指示處表明裂紋沿板條束擴(kuò)展，并無絕熱剪切帶產(chǎn)生。相比于5號(hào)背板，2號(hào)背板層裂過程中裂紋擴(kuò)展受側(cè)向稀疏波中剪應(yīng)力分量的影響較大。

(a) 7.00 GPa; (d) 6.39 GPa及微損傷擴(kuò)展路徑: (b), (c) 7.00 GPa; (e) 6.39 GPa

綜合2號(hào)和5號(hào)背板的微觀形貌可以發(fā)現(xiàn)，在本研究中，裂紋除了沿α/β板條束擴(kuò)展之外，還會(huì)沿剪切帶擴(kuò)展。這表明在側(cè)向稀疏波影響下產(chǎn)生的剪切帶將為裂紋擴(kuò)展提供新的途徑。

3號(hào)裝置經(jīng)10.24GPa沖擊波作用后，背板已經(jīng)發(fā)生剝離，產(chǎn)生層裂面。此時(shí)在背板中心軸線附近區(qū)域反射拉伸波依然起主導(dǎo)作用(裂紋水平)，而在靠近邊側(cè)位置，部分裂紋接近垂直(圖6(b))，表明此時(shí)側(cè)面稀疏波對(duì)層裂之影響較大，層裂破壞過程在側(cè)向稀疏波與反射拉伸波的共同作用下完成。而6號(hào)裝置經(jīng)10.79GPa沖擊波作用后背板已發(fā)生完全剝離，并未發(fā)現(xiàn)類似3號(hào)背板的近似垂直的裂紋，經(jīng)放大后在圖6(e)中可以看到，裂紋仍是沿板條束擴(kuò)展且并未有絕熱剪切帶產(chǎn)生。此結(jié)果也與之前對(duì)背板的應(yīng)力分析情況相吻合。在主裂紋附近及主層裂斷口附近出現(xiàn)大量微損傷，經(jīng)放大后在圖6(c)和圖6(e)中可以清楚地看到微損傷形核位置及長(zhǎng)大擴(kuò)展形成微裂紋之趨勢(shì)。與之前報(bào)道[10]相似，該合金中層裂微孔洞大部分形核于α/β板條束中，微孔洞相互連接形成微裂紋后繼續(xù)沿α/β板條束擴(kuò)展。而與之不同的是，在本研究中，由于1、2、3號(hào)裝置中背板厚度增加導(dǎo)致側(cè)向稀疏波干擾了層裂區(qū)域的一維應(yīng)變狀態(tài)，在剪應(yīng)力分量的作用下，產(chǎn)生絕熱剪切帶(圖5(b) 、圖5 (c))及近似平行于沖擊方向的裂紋(圖6(b))；而在4、5、6號(hào)裝置中，背板前表面含有未受側(cè)向稀疏波影響的區(qū)域，因此層裂過程中并未發(fā)現(xiàn)絕熱剪切帶的存在。

雖然在3號(hào)裝置中仍然可以觀察到背板的剝離情況，但是相比于6號(hào)裝置，此時(shí)的層裂行為已經(jīng)不是在簡(jiǎn)單的一維應(yīng)變反射拉伸狀態(tài)下發(fā)生，而是以軸向應(yīng)力為主的三維應(yīng)力狀態(tài)。由應(yīng)力波在背板中的傳播過程可知，整個(gè)層裂區(qū)域都受到了側(cè)向稀疏波的影響。然而不同部位受側(cè)向稀疏波的影響程度不同：在背板中心處主裂紋與沖擊方向垂直，表明在背板自由面中心區(qū)域仍以軸向應(yīng)力反射拉伸為主，側(cè)面稀疏產(chǎn)生的影響較小，故在金相分析時(shí)，觀察不到剪切波引起的剪切帶；但在遠(yuǎn)離背板中心軸向區(qū)域，側(cè)向稀疏波的影響加強(qiáng)，即可觀察到在剪應(yīng)力分量作用下產(chǎn)生的剪切帶(圖5(b) 、圖5 (c))或是近似平行于沖擊方向的裂紋，如圖6(b)。

3 結(jié)論

1) 側(cè)向稀疏波破壞了沖擊載荷下Ti- 6Al- 4V合金層裂位置所處的一維應(yīng)變狀態(tài)，使材料受徑向拉應(yīng)力的影響增大，導(dǎo)致部分微裂紋近似與沖擊方向平行。

2) 層裂發(fā)生過程中，微孔洞主要于α/β板條束中形核并長(zhǎng)大，在一維應(yīng)變狀態(tài)被破壞的情況下，微裂紋除了沿α/β板條束擴(kuò)展外，還將沿絕熱剪切帶擴(kuò)展，這使得裂紋的擴(kuò)展變得更容易。從而加速了裂紋擴(kuò)展。