分離式霍普金森壓桿加載下不同組織Ti-6321鈦合金的動態(tài)響應(yīng)行為

寧子軒，王琳,2,3，程興旺,2，程煥武,2，劉安晉，徐雪峰，周哲，張斌斌

(1.北京理工大學(xué) 材料學(xué)院，北京 100081；2.北京理工大學(xué) 沖擊環(huán)境材料技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；4.洛陽船舶材料研究所，河南 洛陽 471023)

0 引言

鈦及鈦合金具有高比強(qiáng)度、耐熱性、耐蝕性和生物相容性等優(yōu)良性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事、石油化工、汽車、海洋工程和生物醫(yī)療等各個領(lǐng)域[1-3]。鈦合金在服役過程中除了常規(guī)載荷外，還會受到高應(yīng)變率載荷的沖擊，如高速沖擊、彈靶侵徹、爆炸加載、高速切削和金屬成型等過程，發(fā)生絕熱剪切失效，影響材料的失效斷裂行為[4-6]。因此，研究材料的動態(tài)響應(yīng)行為對其服役性能具有重要意義。

分離式霍普金森壓桿(SHPB)裝置是一種研究動態(tài)響應(yīng)行為常用的實(shí)驗(yàn)方法，應(yīng)變率為103s-1，可從動態(tài)力學(xué)性能、絕熱剪切行為和相變等多方面對鈦合金動態(tài)響應(yīng)行為進(jìn)行分析[7]。國內(nèi)外學(xué)者采用該方法進(jìn)行了大量的研究工作[8-10]，Zener等[11]提出當(dāng)材料的絕熱溫升軟化超過應(yīng)變硬化時，材料進(jìn)入非穩(wěn)定塑性變形階段，材料進(jìn)一步的塑性變形產(chǎn)生熱塑性失穩(wěn)，出現(xiàn)絕熱剪切帶。Ran等[12]發(fā)現(xiàn)組織狀態(tài)對Ti55511鈦合金的動態(tài)力學(xué)性能和絕熱剪切敏感性具有較大的影響，魏氏組織表現(xiàn)出較高的動態(tài)壓縮強(qiáng)度和絕熱剪切敏感性。朱新杰等[13]也發(fā)現(xiàn)與熱處理態(tài)的等軸組織相比，軋制態(tài)的雙態(tài)組織Ti-4.5Mo-5.1Al-1.8Zr-1.1Sn-2.5Cr-2.9Zn鈦合金動態(tài)抗壓強(qiáng)度較高，塑性較差，絕熱剪切敏感性較高。Alaghmandfard等[14]和徐雪峰等[15]進(jìn)一步表明片層或晶粒更細(xì)的TC4和TC4ELI鈦合金具有更高的動態(tài)屈服強(qiáng)度。綜上所述，研究組織對鈦合金的動態(tài)響應(yīng)行為對其實(shí)踐應(yīng)用十分必要。

Ti-6321(Ti80)鈦合金的名義成分為Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo，具有良好的耐腐蝕性、抗疲勞性和焊接性能，無磁性，無低溫脆性等優(yōu)勢，可用于海洋領(lǐng)域中深潛器、船舶、潛艇、水中兵器和高壓容器等器材的各種零部件加工[16-18]。目前Ti-6321鈦合金的研究主要包括制備、熱加工和熱處理工藝以及組織對靜態(tài)力學(xué)性能、疲勞裂紋擴(kuò)展和焊接性的影響以及Taylor桿沖擊下的動態(tài)斷裂行為[19-23]，但SHPB加載條件下組織對Ti-6321的力學(xué)性能和絕熱剪切行為的影響尚未報(bào)道。本文采用SHPB實(shí)驗(yàn)裝置對不同組織Ti-6321鈦合金的動態(tài)力學(xué)和絕熱剪切行為進(jìn)行了研究，為Ti-6321鈦合金在高應(yīng)變率條件下的應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。

1 材料熱處理和實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)所用材料為軋制態(tài)Ti-6321鈦合金板材，其化學(xué)成分如表1所示，通過淬火金相法測得合金的相變點(diǎn)為990 ℃±5 ℃.將板材切割后在不同溫度進(jìn)行熱處理以獲得不同形態(tài)的組織，熱處理工藝與預(yù)期組織如表2所示。熱處理完成后，采用金相顯微鏡觀察組織特征，不同熱處理工藝后Ti-6321鈦合金的微觀形貌如圖1所示。通過金相分析軟件Image-Pro和Nano Measurer分別測量相含量和尺寸。等軸組織晶粒尺寸約為15 μm，α相含量約為77.9%，雙態(tài)組織的等軸α相含量約為41.3%，晶粒尺寸約為10 μm，片層狀α晶粒長度約為15 μm，寬度約為600 nm，α相含量總量略有減少。魏氏組織的β晶粒內(nèi)部大量片層α相相互交錯，夾角約為60°，α片層的厚度約為830 nm.

表1 Ti-6321鈦合金的化學(xué)成分

表2 Ti-6321鈦合金熱處理工藝

圖1 不同熱處理工藝后Ti-6321鈦合金的微觀形貌

采用電火花線切割技術(shù)切取準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)壓縮試樣，準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB7314—2005金屬材料室溫壓縮試驗(yàn)方法，使用美國Instron公司生產(chǎn)的5985型電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，試樣尺寸為φ5 mm×8 mm，應(yīng)變率為10-3s-1.動態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)在北京理工大學(xué)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置采用SHPB，示意圖如圖2所示。試樣位于入射桿和透射桿之間，通過調(diào)節(jié)氣室氣壓控制子彈的速度，獲得不同的應(yīng)變率，試樣尺寸為φ5 mm×5 mm，加載應(yīng)變率為1 500～3 000 s-1.動態(tài)加載后可得到不同應(yīng)變率條件下的真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變曲線，回收加載后試樣，沿軸向切開，經(jīng)過研磨、拋光和腐蝕后用于光學(xué)和掃描電子顯微鏡觀察。分析不同組織Ti-6321鈦合金在不同應(yīng)變率加載條件下的絕熱剪切行為和組織演化特征。

圖2 SHPB實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2 Ti-6321鈦合金的動態(tài)響應(yīng)行為

2.1 動態(tài)力學(xué)性能測試結(jié)果與分析

圖3所示為3種組織Ti-6321鈦合金的不同應(yīng)變率壓縮真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變曲線。由圖3可知，準(zhǔn)靜態(tài)壓縮條件下，雙態(tài)組織具有較高的抗壓強(qiáng)度和塑性應(yīng)變，表現(xiàn)出較好的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮性能，而等軸組織的屈服強(qiáng)度較高，魏氏組織的強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變均較低，但3種組織的應(yīng)力均隨應(yīng)變的增加而增大，表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變強(qiáng)化作用。應(yīng)變率為103s-1的動態(tài)壓縮條件下，3種組織的流變應(yīng)力具有一定程度的波動性，可能與實(shí)驗(yàn)裝置及高應(yīng)變率的實(shí)驗(yàn)條件相關(guān)，但整體上流變應(yīng)力變化較平緩，應(yīng)變強(qiáng)化作用不明顯，魏氏組織的流變應(yīng)力有下降趨勢。這是因?yàn)楦邞?yīng)變率壓縮條件下，塑性變形能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽伜辖鸬臒釋?dǎo)率較低，熱量不能及時散失，試樣溫度升高，引起熱軟化效應(yīng)，當(dāng)熱軟化效應(yīng)小于應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)時，流變應(yīng)力呈上升趨勢；相反，流變應(yīng)力呈下降趨勢；二者相當(dāng)時，流變應(yīng)力基本不變。

同時可以發(fā)現(xiàn)隨著動態(tài)應(yīng)變率的增加，3種組織的屈服強(qiáng)度增加較小，塑性應(yīng)變逐漸增大，與準(zhǔn)靜態(tài)壓縮相比，屈服強(qiáng)度增加了400 MPa左右，抗壓強(qiáng)度增加了200 MPa左右，塑性應(yīng)變明顯減小，表現(xiàn)出應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)。Shi等[24]也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，并表明應(yīng)變率強(qiáng)化作用的高低與熱激活能的大小有關(guān)，低應(yīng)變率下具有較高的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)，熱激活能變化劇烈，高應(yīng)變率下具有較低的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)，熱激活能較低。

圖4所示為應(yīng)變率3 000 s-1下3種組織Ti-6321合金的壓縮真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變曲線。應(yīng)變率為3 000 s-1時，等軸組織、雙態(tài)組織和魏氏組織試樣均開始出現(xiàn)宏觀剪切斷裂，低于該應(yīng)變率時，試樣均未發(fā)生斷裂，故3種組織的臨界剪切斷裂應(yīng)變率均為3 000 s-1，同時，臨界斷裂應(yīng)變分別為0.252、0.249和0.240.等軸組織表現(xiàn)出略高的塑性，雙態(tài)組織與等軸組織塑性相近，并具有較高的強(qiáng)度。這是因?yàn)榈容Sα相的變形協(xié)調(diào)性較好，變形過程中產(chǎn)生的能量可以很快地分散到相鄰的α晶粒中，次生片層α相相互交錯，界面增多，位錯滑移的方向不斷改變，容易受到相界面的阻礙，導(dǎo)致變形不易進(jìn)行，但有利于強(qiáng)度的提高。因此，雙態(tài)組織具有良好的強(qiáng)塑性匹配。

圖4 應(yīng)變率3 000 s-1下Ti-6321鈦合金的壓縮真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變曲線

材料的動態(tài)壓縮性能除了強(qiáng)度和塑性外，還常采用材料的平均流變應(yīng)力和沖擊吸收功等參量表示。其中平均流變應(yīng)力是指合金在塑性變形階段流變應(yīng)力的平均值，沖擊吸收功綜合考慮了合金強(qiáng)度和塑性兩方面的因素，從而能夠更加準(zhǔn)確地評價(jià)材料的動態(tài)力學(xué)性能，計(jì)算公式為

(1)

式中：E為沖擊吸收功；σ為動態(tài)流變應(yīng)力；ε為塑性應(yīng)變；εl為塑性變形起始點(diǎn)；εe為塑性變形終止點(diǎn)。

圖5所示為3種組織Ti-6321鈦合金在不同應(yīng)變率下的屈服強(qiáng)度、平均流變應(yīng)力和沖擊吸收功。由圖5可知，應(yīng)變率為103s-1時，3種組織的屈服強(qiáng)度變化不明顯，平均流變應(yīng)力和沖擊吸收功逐漸增大。在臨界斷裂應(yīng)變率下，等軸、雙態(tài)和魏氏組織的平均流變應(yīng)力分別為1 383 MPa、1 395 MPa和1 297 MPa，沖擊吸收功分別為307 MJ/m3、300 MJ/m3和283 MJ/m3.因此，等軸組織具有較高的沖擊吸收功，雙態(tài)組織具有較高的平均流變應(yīng)力，魏氏組織具有較低的平均流變應(yīng)力和沖擊吸收功。這是由于魏氏組織內(nèi)的片層α相縱橫比較低，在動態(tài)變形過程中易由晶間斷裂轉(zhuǎn)化為晶內(nèi)斷裂，抗沖擊性能降低。而等軸組織和雙態(tài)組織均具有等軸狀α相，具有較高的塑性，且雙態(tài)組織中片層α相的縱橫比較高，能夠吸收更多的能量。對平均流變應(yīng)力和沖擊吸收功進(jìn)行線性擬合，可以發(fā)現(xiàn)等軸、雙態(tài)和魏氏組織的平均流變應(yīng)力斜率分別為0.052 2、0.064 6和0.010 6，沖擊吸收功的斜率分別為0.105 4、0.113 2和0.071，說明雙態(tài)組織平均流變應(yīng)力和沖擊吸收功對應(yīng)變率更為敏感。綜上所述，雙態(tài)組織具有較好的靜、動態(tài)綜合力學(xué)性能。

圖5 不同應(yīng)變率下3種組織Ti-6321鈦合金的力學(xué)性能

2.2 應(yīng)變率敏感性

由圖3可知，隨著應(yīng)變率的增加，以3 000 s-1為例，等軸組織、雙態(tài)組織和魏氏組織屈服強(qiáng)度與準(zhǔn)靜態(tài)屈服強(qiáng)度相比分別增加了52.0%、56.9%和53.9%，塑性分別降低了35.3%、45.8%和15.4%，表現(xiàn)出較強(qiáng)的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)。為了深入表征材料的應(yīng)變率強(qiáng)化程度，引入應(yīng)變率敏感因子m[25-26]，計(jì)算公式為

(2)

圖6 3種組織Ti6321鈦合金的應(yīng)變率敏感因子

由圖6(a)可知，由于真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變曲線的波動性，應(yīng)變率敏感因子呈現(xiàn)波動性。但由擬合直線可知：塑性變形初期，雙態(tài)組織的應(yīng)變率敏感因子較高，等軸組織較低；等軸組織的應(yīng)變率敏感因子隨應(yīng)變的增加而緩慢增大，雙態(tài)組織的應(yīng)變率敏感因子基本保持不變，魏氏組織的應(yīng)變率敏感因子呈下降趨勢。塑性變形后期，等軸組織的應(yīng)變率敏感因子較高，魏氏組織較低。說明等軸組織的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，魏氏組織的應(yīng)變率強(qiáng)化作用逐漸降低，當(dāng)熱軟化作用高于強(qiáng)化作用時，則會引起真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變曲線的降低，因此，魏氏組織的真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變曲線有所下降。

由圖6(b)可知：較低應(yīng)變率下，魏氏組織的應(yīng)變率敏感因子較高，雙態(tài)組織的應(yīng)變率敏感因子較低；隨著應(yīng)變率的增加，雙態(tài)組織的應(yīng)變率敏感因子逐漸增大，等軸組織的應(yīng)變率敏感因子增加較緩慢，魏氏組織的應(yīng)變率敏感因子基本保持不變。在應(yīng)變率3 000 s-1下，雙態(tài)組織的應(yīng)變率敏感因子最高，說明雙態(tài)組織在較高應(yīng)變率下應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)更明顯，這與2.1節(jié)得到的流變應(yīng)力及沖擊吸收功的規(guī)律相一致。

2.3 組織演化和絕熱剪切敏感性

經(jīng)過不同應(yīng)變率的動態(tài)壓縮后，3種組織Ti-6321鈦合金試樣發(fā)生不同程度的塑性變形，應(yīng)變率為3 000 s-1時，3種組織均發(fā)生沿45°方向的剪切斷裂。通過觀察試樣剖面的微觀組織，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變率為1 500 s-1和2 000 s-1時，組織未發(fā)生明顯變化，應(yīng)變率為2 500 s-1和3 000 s-1的微觀組織形貌分別如圖7和圖8所示。由圖7可知，2 500 s-1應(yīng)變率下：等軸組織的等軸狀晶粒被拉長，局部拉長晶粒軸徑比約為5∶1，這是由于動態(tài)壓縮后晶粒長軸垂直于壓縮方向的晶粒更易被拉長，組織呈現(xiàn)間斷性局部晶粒明顯拉長現(xiàn)象；雙態(tài)組織剖面的片層組織沿剪切方向變形發(fā)生彎曲，等軸晶粒被拉長；魏氏組織內(nèi)的片層發(fā)生嚴(yán)重的扭曲變形或折斷，片層間距不再均勻。

圖7 應(yīng)變率2 500 s-1和動態(tài)加載下3種組織Ti6321鈦合金的微觀組織形貌

圖8 應(yīng)變率3 000 s-1和動態(tài)加載下3種組織Ti6321鈦合金的微觀組織形貌

由圖8可知，在應(yīng)變率3 000 s-1下，3種組織均可觀察到沿剪切方向的絕熱剪切帶。由圖8(a)和圖8(b)可知，等軸組織和雙態(tài)組織的剪切帶較窄，可觀察到劇烈變形的晶粒，呈現(xiàn)形變帶特征[27]，雙態(tài)組織的形變帶較寬，約3 μm.由圖8(c)可知，魏氏組織的端部產(chǎn)生多條平行的白亮絕熱剪切帶，并伴隨分叉現(xiàn)象。圖8(d)為試樣中間位置，可觀察到裂紋沿著剪切帶擴(kuò)展，剪切帶寬度約為8 μm，裂紋尖端處剪切帶分叉。通過放大組織可發(fā)現(xiàn)剪切帶兩側(cè)的晶粒沿剪切方向發(fā)生嚴(yán)重的變形，剪切帶中心的晶粒細(xì)化，并分布著大量微孔洞。由文獻(xiàn)[28]可知剪切帶內(nèi)發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，微孔洞的形核、長大和擴(kuò)展最終形成裂紋，說明魏氏組織更易發(fā)生絕熱剪切行為和剪切帶的相互作用。

絕熱剪切行為是由于高應(yīng)變率下鈦合金處于絕熱狀態(tài)，塑性變形功轉(zhuǎn)變?yōu)闇囟溶浕?yīng)，即溫度升高引起的強(qiáng)度降低大于應(yīng)變硬化引起的強(qiáng)度增加導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)現(xiàn)象，剪切突變形成剪切帶。絕熱溫升[6]的計(jì)算公式為

(3)

式中：β為常數(shù)；ρ為材料密度；cv為比熱。由(3)式可知，絕熱溫升與材料的沖擊吸收功呈正比，臨界剪切斷裂應(yīng)變率下，沖擊吸收功越大，絕熱溫升越高，材料的絕熱剪切敏感性越低。由圖5(c)可知，在應(yīng)變率3 000 s-1下，3種組織的沖擊吸收功大小關(guān)系為等軸組織>雙態(tài)組織>魏氏組織。因此，等軸組織的絕熱剪切敏感性較低，魏氏組織的絕熱剪切敏感性較高。

3 結(jié)論

本文對等軸組織、雙態(tài)組織和魏氏組織Ti-6321鈦合金的準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能、動態(tài)力學(xué)行為、動態(tài)壓縮后組織的演化和絕熱剪切敏感性進(jìn)行了研究。得出以下主要結(jié)論：

1)與準(zhǔn)靜態(tài)壓縮相比，3種組織的動態(tài)屈服強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別增加了400 MPa和200 MPa左右，表現(xiàn)出應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)，其臨界剪切斷裂應(yīng)變率均為3 000 s-1.

2)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下，雙態(tài)組織具有較高的強(qiáng)塑性匹配；動態(tài)壓縮臨界剪切斷裂應(yīng)變率下，等軸組織具有較高的剪切應(yīng)變和沖擊吸收功，分別為0.252和307 MJ/m3；雙態(tài)組織具有較高的屈服強(qiáng)度和平均流變應(yīng)力，分別為1 357 MPa和1 395 MPa.因此，雙態(tài)組織具有較高的綜合力學(xué)性能，且其平均流變應(yīng)力和沖擊吸收功的應(yīng)變率敏感性較高。

3)在應(yīng)變率3 000 s-1下，等軸組織的應(yīng)變率敏感因子隨著應(yīng)變的增加逐漸增大，魏氏組織與之相反，雙態(tài)組織基本不變；應(yīng)變?yōu)?%條件下，雙態(tài)組織的應(yīng)變率敏感因子隨著應(yīng)變率的增大而增大，等軸組織增加緩慢，魏氏組織基本不變。

4)臨界剪切斷裂應(yīng)變率下，3種組織均產(chǎn)生絕熱剪切帶，等軸組織由于具有較大的沖擊吸收功，絕熱溫升較高，絕熱剪切敏感性較低。魏氏組織的剪切帶較寬，約8 μm，并發(fā)生分叉現(xiàn)象，絕熱剪切敏感性較高。