TC32鈦合金的動態力學性能及損傷特點

李明兵，　朱知壽，　王新南，　費　躍，　祝力偉，　商國強，　李　靜

(北京航空材料研究院 先進鈦合金航空科技重點實驗室， 北京 100095)

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TC32鈦合金的動態力學性能及損傷特點

李明兵，朱知壽，王新南，費躍，祝力偉，商國強，李靜

(北京航空材料研究院 先進鈦合金航空科技重點實驗室， 北京 100095)

采用分離式霍普金森壓桿技術對TC32鈦合金片層組織、雙態組織、網籃組織試樣進行了動態剪切實驗，通過光學顯微鏡、掃描電鏡研究了TC32鈦合金不同組織的損傷特點。結果表明：片層組織、雙態組織、網籃組織的臨界應變率分別為2400 s-1,2700 s-1與2600 s-1，與網籃組織和片層組織相比，雙態組織具有最優的綜合動態力學性能。三種組織均觀察到了絕熱剪切帶，并且絕熱剪切破壞都要經過微孔洞的形核、長大與相互聯結的過程，微孔洞的萌生與長大優先沿著絕熱剪切帶與基體的界面位置。片層組織絕熱剪切帶與基體的界面塑性流變特征不明顯，并且在該區域觀察到了呈快速擴展特征的長裂紋。雙態組織絕熱剪切帶及與基體界面呈纖維狀，周圍組織在劇烈剪切力的作用下呈明顯的塑性流變特征，等軸狀或者橢圓型的初生α相被嚴重拉長變形，微孔洞也容易在α/β轉變基體的界面處形核。網籃組織與雙態組織的損傷特點類似，但與片層組織和雙態組織不同的是，當網籃組織中具有規則排列的針狀α相與絕熱剪切帶垂直時，微孔洞也容易在該處萌生。絕熱剪切帶內部組織主要是由細小的等軸晶粒組成，形成機制尚無統一定論。

鈦合金；絕熱剪切帶；損傷特點

絕熱剪切帶(Adiabatic shear bands，ASBs)是材料或者構件在高應變加載條件下所形成的高度局域化的狹窄區，材料或者構件一旦出現絕熱剪切帶，就意味著承載能力的下降或者喪失[1-3]。鈦及鈦合金因具有高的比強度、耐蝕以及高應變速率吸能特性和抗高速沖擊性等特點，也被廣泛應用于坦克、步兵戰車、兩棲突擊車、導彈等武器裝備領域[4-5]；但由于鈦及鈦合金低的熱導率、低加工硬化率等特點，在高速沖擊下經常以熱塑性失穩[6]的損傷模式失效，屬于絕熱剪切敏感性材料。文獻表明[7-10]，不同組織類型及其參數是影響鈦合金絕熱剪切破壞的重要因素，在單軸壓縮應力狀態下，雙態組織較其他類型組織具有更優異的綜合動態力學性能。絕熱剪切破壞要經過絕熱剪切帶內微孔洞的形核、長大和相互聯結形成裂紋等一系列的演化過程[11]，但現有的理論模型與損傷機制均與實驗結果存在較大出入，為了豐富和加深對這一演化的認識，本實驗采用分離式Hopkingson壓桿(SHPB)技術，采用φ5 mm×5 mm的圓柱形試樣對鈦合金不同組織的動態力學性能及絕熱剪切帶損傷特征加以研究與描述。

1　實　驗

實驗用TC32鈦合金為北京航空材料研究院研制的新型高性能低成本鈦合金，直徑為φ185 mm棒材分別經不同鍛造工藝與熱處理制度得到片層組織、雙態組織與網籃組織，然后沿棒材軸向取φ5 mm×5 mm的圓柱形試樣進行動態壓縮實驗。

實驗在北京理工大學動態力學實驗室的φ14.5 mm分離式Hopkingson壓桿(SHPB)上進行。將動態壓縮實驗后的圓柱形試樣沿縱剖面切開，制備金相試樣。Kroll金相腐蝕劑體積分數配比為HF ∶HNO3∶H2O=1 ∶2 ∶50。采用LEICA DMI3000 M倒立型光學顯微鏡與JSM-5600LV型掃描電鏡觀察合金金相顯微組織與絕熱剪切帶形貌。

2　結果與分析

2.1原始組織

圖1(a)～(c)分別為TC32鈦合金片層組織、雙態組織與網籃組織金相照片。片層組織其特征是具有粗大的等軸原始β晶粒，晶粒尺寸約為250 μm，β晶界清晰可見，晶粒內部片狀α/β相呈規則排列。雙態組織其特征是在呈層片狀的β轉變基體上分布著不連續的初生α相，含量約為25%，絕大多數的初生α相呈等軸狀或橢圓狀，尺寸約為5 μm，少量呈短棒型。網籃組織其特征是無原始β晶界，原始β晶粒內部的α相編織成網籃結構，針狀α相寬度約為1.6 μm。

圖1　TC32鈦合金原始組織　(a)片層組織；(b)雙態組織；(c)網籃組織Fig.1　Original microstructures of TC32 alloys　(a)lamellar microstructure; (b)bimodal microstructure; (c)basket microstructure.

2.2動態力學性能

為了得到TC32鈦合金三種組織相應的臨界應變率，分別對不同組織類型的圓柱形試樣在多個加載速率下進行沖擊加載實驗。實驗得到片層組織、雙態組織與網籃組織的臨界應變率分別為2400 s-1,2700 s-1與2600 s-1。圖2為TC32鈦合金三種組織在臨界應變率下的動態真應力-應變曲線。表1為TC32鈦合金三種組織在各自的臨界應變率下的流變應力、斷裂應變和剪切失效前的耗能計算值。結合圖2與表1可以看出，在該條件下，剪切失效前的耗能：雙態組織>網籃組織>片層組織。雖然網籃組織與雙態組織和片層組織相比有些許的強度優勢，但雙態組織具有最優的綜合動態力學性能。

圖2　TC32鈦合金不同組織在臨界應變率下的真應力-應變曲線Fig.2　True stress-strain curves of different microstructures in TC32 alloy at critical strain rate

MicrostructuresCriticalstrainrate/s-1Flowstress/MPaFailurestrain/%Energyabsorbed/(MJ·m-3)Lamellar24001595.219.6312.7Bimodal27001622.721.1342.8Basket26001681.918.0302.8

2.3損傷特性

2.3.1片層組織

圖3　片層組織在應變率為2200 s-1時的絕熱剪切帶與微孔洞Fig.3　ASBs and microvoids in lamellar microstructure at strain rate of 2200 s-1

圖3為片層組織在應變率為2220 s-1時的掃描電鏡照片。從中可以看出，在該應變速率條件下，試樣產生了呈直線型的絕熱剪切帶，絕熱剪切帶橫穿整個原始等軸β晶粒，剪切帶周圍塑性流變特征不明顯，而在絕熱剪切帶的某些位置，出現了橢圓形的微孔洞。如圖3所示，微孔洞3形核時間早于微孔洞1與微孔洞2，并且其長大速率明顯大于微孔洞1與微孔洞2，而隨著絕熱剪切的進行，微孔洞3會迅速長大并最終與微孔洞1與微孔洞2聯結起來成為尺寸約為210 μm的超大孔洞。特別值得一提的是，在更高的放大倍數下可以發現，片層組織中的微孔洞優先沿著絕熱剪切帶與基體界面位置長大(如圖4橢圓圈所示)。圖5(a)與(b)分別列出了片層組織在應變率為2190 s-1與2770 s-1時的金相照片。可以發現，隨著應變速率的提高，其絕熱剪切帶的寬度明顯增加，并且會出現絕熱剪切帶分叉的現象；更重要的是，在絕熱剪切帶中超大孔洞的前沿位置，會發現有長裂紋產生，裂紋沿著絕熱剪切帶與基體界面呈快速擴展的特征。結合圖4與圖5可以推測，在片層組織中，絕熱剪切帶與基體的界面是微孔洞長大與裂紋快速擴展的薄弱區。

圖4　片層組織中微孔洞沿著絕熱剪切帶與基體界面長大Fig.4　Microvoids growth at the interface between ASBs and matrix in lamellar microstructure at strain rate of 2200 s-1

圖5　片層組織在不同應變率時的裂紋擴展特征Fig.5　Characteristics of crack growth at the interface between ASBs and matrix in lamellar microstructure at different strain rate　(a)2190 s-1；(b)2770 s-1

2.3.2雙態組織

圖6(a)與(b)分別為雙態組織在應變率為2220 s-1時的金相照片與掃描電鏡照片。從圖6(a)可以發現，在該應變率下，雙態組織也發生了絕熱剪切破壞，絕熱剪切帶呈直線型的白亮帶，在絕熱剪切帶的某些位置，也發現了微孔洞的產生。圖6(b)為微孔洞在更大放大倍數下的掃描電鏡照片，發現絕熱剪切帶及與基體的過渡區域呈纖維狀，周圍組織在劇烈剪切力的作用下呈明顯的塑性流變特征，等軸狀或者橢圓型的初生α相被嚴重拉長變形。在掃描電鏡下進一步的觀察發現，微孔洞的形核位置也很有特點(如圖7所示)。圖7(a)說明了微孔洞形核位置位于α/β轉變基體的界面處；而圖7(b)則說明了微孔洞易在絕熱剪切帶與基體界面形核。從圖6與圖7可以得知，雙態組織在剪切力的作用下初生α相與β轉變基體會發生塑性流動，而β轉變基體相對較軟，會首先發生塑性變形，從而導致初生α相與β轉變基體的協調變形能力不一致，微孔洞容易在α/β轉變基體的界面處產生，其次，與片層組織類似，絕熱剪切帶與基體界面也屬于薄弱區，容易萌生微孔洞。圖8為雙態組織在應變率為2580 s-1時的掃描電鏡照片。圖8表明，在雙態組織中也會發生微孔洞長大與聯結的現象，并且微孔洞優先沿著絕熱剪切帶與基體界面處萌生與長大(如橢圓圈所示)。

2.3.3網籃組織

圖9(a)與(b)分別為網籃組織在應變率為2020 s-1與2540 s-1下的掃描電鏡照片。可以看出，試樣都發生了絕熱剪切破壞，圖9(a)則表明，網籃組織的絕熱剪切破壞也要經過微孔洞的形核、長大和相互聯結形成裂紋等一系列的演化過程；圖9(b)可以看出，網籃組織中的絕熱剪切帶及與基體的界面呈纖維狀，針狀α相在剪切力的作用下呈明顯的塑性流變特征，并且微孔洞也傾向于在絕熱剪切帶與基體界面處形核(如橢圓圈所示)，這一點與雙態組織類似。圖10(a)與(b)分別為網籃組織在應變率為2220 s-1時的金相照片與掃描電鏡照片，圖10(b)為圖10(a)橢圓圈處的局部放大圖。圖10(a)可以明顯看出，呈編制狀的針狀α相在剪切力的作用下發生塑性變形，而當具有規則排列的針狀α相與絕熱剪切垂直時，由于變形協調能力的降低，微孔洞的萌生幾率大大增加(如圖11(b)所示)。

圖6　雙態組織在應變率為2200 s-1時的絕熱剪切帶與微孔洞Fig.6　ASBs and microvoids in bimodal microstructure at strain rate of 2200 s-1　(a)OM;(b)SEM

圖7　雙態組織中微孔洞的形核位置Fig.7　Microvoids nucleation sites in bimodal microstructure　(a)at the α/β phase boundaries; (b)at the interface between ASBs and matrix

圖8　雙態組織在應變率為2580 s-1時的絕熱剪切帶與微孔洞Fig.8　ASBs and microvoids in bimodal microstructure at strain rate of 2580 s-1

由以上實驗可知，TC32鈦合金片層、雙態與網籃組織在高應變率下均觀察到了絕熱剪切帶，并且破壞都要經過絕熱剪切帶內微孔洞的形核、長大和相互聯結形成微裂紋的過程，微孔洞都優先沿著絕熱剪切帶與基體的界面形核與長大。片層組織絕熱剪切帶與基體的界面塑性流變特征不明顯，并且在該區域觀察到了呈快速擴展特征的長裂紋。雙態組織絕熱剪切帶及與基體的界面呈纖維狀，周圍組織在劇烈剪切力的作用下呈明顯的塑性流變特征，等軸狀或者橢圓型的初生α相被嚴重拉長變形，微孔洞也容易在α/β轉變基體的界面處形核。網籃組織與雙態組織類似，但與片層組織和雙態組織不同的是，網籃組織中具有規則排列的針狀α相與絕熱剪切帶垂直時，該區的形變協調能力大大降低，微孔洞也容易在該處萌生，由此也可以推測，組織均勻性對鈦合金在高速沖擊下的絕熱剪切破壞有重要影響。

對絕熱剪切帶的內在本質了解，也是隨著觀測手段的不斷發展而逐漸加深。Shahan等[12]的綜述中就曾提到，對于(α+β)兩相鈦合金，絕熱剪切帶內部由極細的等軸晶粒、中間熱影響區以及外部基體三部分區域組成。楊卓越[13]在絕熱剪切帶微觀結構綜述就指出，大多數絕熱剪切帶中心微觀組織具有共同的特征，即中心都為非常細小的等軸組織，與基體差異較大，微觀組織的變化主要體現在基體組織重新取向、碎化程度逐漸減小、位錯等缺陷密度逐漸降低，并且這種近似連續的變化使得難以確定其界限。Meyers等[14-15]利用透射電鏡研究了純鈦中絕熱剪切帶的精細結構，他在絕熱剪切帶附近觀察到了高密度位錯以及形變孿晶，而絕熱剪切帶是由具有清晰大角度晶界的微小晶粒組成(尺寸為0.05～0.3 μm)，隨后，Chichili等[16]與Yang等[17]也對純鈦做了相關研究，得出類似的結論。而在鈦合金研究方面，Peirs等[18]研究了(α+β)型合金Ti-6Al-4V中絕熱剪切帶的精細結構，透射電鏡觀察表明在絕熱剪切帶內部及周圍，出現了嚴重被拉長的晶粒、納米級的等軸晶粒、馬氏體結構相及孿晶。Sun等[19]利用FIB直接截取了Ti-6Al-4V不同組織中的絕熱剪切帶，透射電鏡觀察發現絕熱剪切帶是由等軸晶粒與呈條紋狀的亞晶粒組成。Yang等[20]也利用透射電鏡觀察了近β合金Ti-1300中絕熱剪切帶的精細結構，結果顯示在絕熱剪切帶周圍出現了寬度為0.2～0.4 μm的被拉長的亞晶，而在絕熱剪切帶內部，則觀察到比基體小3個數量級的等軸亞晶粒，并且觀察到了熱ω相。而有關絕熱剪切帶的形成機制問題，以上研究人員都傾向于動態再結晶、旋轉動態再結晶等機制，但受有關理論研究與實驗技術的限制，仍然存在諸多爭論，至今沒有統一的定論。

圖9　網籃組織在不同應變率時的絕熱剪切帶與微孔洞Fig.9　ASBs and microvoids in basket microstructure at different strain rate　(a)2020 s-1；(b)2540 s-1

圖10　網籃組織中微孔洞的形核位置　(a)低倍；(b)高倍Fig.10　Microvoids nucleation sites in basket microstructure　(a)low magnification;(b)high magnification

本實驗只針對三種不同組織類型的動態力學性能及損傷特點進行了對比，得出了具有雙態組織的TC32鈦合金具有最佳的動態力學性能。下一步將對雙態類型的組織參數進行優化，以便獲得最優的抗高速損傷性能。

3　結　論

(1)TC32鈦合金片層、雙態與網籃組織的臨界應變率分別為2400 s-1，2700 s-1與2600 s-1，雙態組織與其他兩種組織相比具有最優的綜合動態力學性能。

(2)TC32鈦合金片層、雙態與網籃組織在高應變率下均觀察到了絕熱剪切帶，并且破壞都要經過絕熱剪切帶內微孔洞的形核、長大和相互聯結形成微裂紋的過程，微孔洞都優先沿著絕熱剪切帶與基體的界面形核與長大。片層組織絕熱剪切帶與基體區域觀察到了呈快速擴展特征的長裂紋。雙態組織絕熱剪切帶周圍初生α相被嚴重拉長變形，微孔洞也容易在α/β轉變基體的界面處形核。網籃組織中具有規則排列的針狀α相與絕熱剪切帶垂直時，微孔洞也容易在該處萌生。組織均勻性對鈦合金在高速沖擊下的絕熱剪切破壞有重要影響。

(3)絕熱剪切帶內部組織主要是由細小的等軸晶粒組成，形成機制尚無統一定論。

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(責任編輯：張崢)

Investigation of Dynamic Mechanical Behavior and Damage Characteristics in TC32 Alloy

LI Mingbing,ZHU Zhishou,WANG Xinnan,FEI Yue,ZHU Liwei,SHANG Guoqiang,LI Jing

(Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Advanced Titanium Alloys, Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095,China)

The dynamic shearing experiment was been done by using split Hopkinson pressure bar(SHPB) technique in TC32 alloy with lamellar, bimodal and basket microstructures. The damage Characteristics of TC32 alloy was investigated by using optical microscope(OP) and scanning electron microscopy(SEM). The results show that the critical fracture velocity is 2400 s-1, 2700 s-1, and 2600 s-1for lamellar, bimodal, and basket microstructures respectively. The bimodal microstructure exhibit the best Dynamic mechanical behavior compared with the other two microstructures. Adiabatic shear bands(ASBs) and microvoids initiation, growth, and coalescence to damage in adiabatic shear bands(ASBs) were observed in all of three microstructures. Also, microvoids initiation and growth are prior to the interface between ASBs and matrix. Investigation indicated that plastic flow characteristic is not obvious at the interface between ASBs and matrix, which observed long crack in lamellar microstructure. In bimodal microstructure, fibrous a adiabatic shear bands(ASBs) and surrounding region are shown. Because of strong shear deformation, the plastic flow characteristic appears clearly, and primary α phase was elongated. Microvoids initiation is also prior to the α/β phase boundaries. The damage characteristics of basket microstructure are similar to bimodal microstructure. But unlike lamellar and basket microstructures, the microvoids are initiatied when the acicular primary α phase arranged in order is perpendicular to the adiabatic shear bands(ASBs) in lamellar microstructure. ASBs is mostly consisted of equiaxed grains, and the deformation mechanism still wasn't defined.

titanium alloy; adiabatic shear band; damage characteristics

2015-09-26；

2016-02-26

朱知壽(1966—)，男，博士,研究員，主要從事航空鈦合金及應用技術研究，(E-mail)zhuzzs@126.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.5.002

TG146.2

A

1005-5053(2016)05-0007-07