α+β 兩相鈦合金的動態壓縮性能對抗彈性能的影響分析

楊 柳，王 瑩，吳靜怡，劉 昕

（成都先進金屬材料產業技術研究院股份有限公司,四川 成都 610300）

0 引言

鈦合金因具有高的比強度，良好的塑性、韌性、抗腐蝕性，加之優異的抗彈性能而被用作防護裝甲材料，其已在M1A2 艾布拉姆斯主戰坦克、M2 布雷德利裝甲運兵車上實現了應用。目前，對鈦合金材料動態力學性能和抗彈性能的研究，主要以TC4 鈦合金為主。Singh 等[1]的研究表明，α+β 區鍛造的TC4 鈦合金具有良好的強塑性匹配特征，抗彈性能優異。Lee 等[2]研究了TC4 鈦合金雙態和等軸2 種組織靶板的抗彈性能，結果表明：雙態組織的抗彈性能優于等軸組織，在雙態組織靶板中產生的絕熱剪切帶數量較少并局限于距表面較淺的區域內。Zheng 等[3]研究了微觀組織對TC4 鈦合金抗彈性能的影響，研究表明：轉變β 區上分布著較寬α 片層的雙態組織具有最好的抗彈性能。Sukumar 等[4]的研究發現，強度和硬度明顯高于TC4 鈦合金的β-CEZ鈦合金，抗彈性能卻與之相近。楊凱文等[5]通過α+β 區鍛造和β 區鍛造獲得了雙態組織和片層組織TC21 鈦合金，研究了熱加工工藝對其動態力學性能和抗彈性能的影響。筆者以TC4 鈦合金作為基礎材料，選用了強度級別更高的同類型兩相鈦合金TC6 和TC11 作為對比材料，進行了力學性能和動態壓縮性能的表征分析，并通過靶試試驗，分析了材料性能對抗彈性能的影響，為抗彈防護用鈦合金材料組織性能調控工藝優化的制定提供參考依據。

1 試驗

1.1 試驗材料

選用某公司工業生產的TC4、TC6、TC11 三種α+β 兩相鈦合金熱軋板材（軋制態）作為動態壓縮試驗和靶試試驗材料，TC4、TC6 鈦合金板材原始厚度12 mm，TC11 鈦合金板材原始厚度14 mm，三種鈦合金的化學成分如表1 所示。DSC 測試的材料相變溫度分別為983.3 ℃（TC4）、986.1 ℃(TC6)、1 020.9 ℃(TC11)。為了使材料強度得到進一步提高，采用β 相區固溶+時效的熱處理方式對材料進行強化處理，具體熱處理工藝如下：

表1 三種α+β 兩相鈦合金的化學成分Table 1 The chemical compositions of materials %

將熱處理后的三種鈦合金板材都加工為100 mm×200 mm 尺寸規格，TC11 板材厚度機加工到12 mm，作為靶試試驗的靶板。

1.2 試驗方法

對試樣進行磨拋處理后進行腐蝕，腐蝕液成分為HF∶HNO3∶H2O=1∶3∶16 的混合腐蝕液，浸蝕時間10～15 s，發現試樣光亮表面變灰暗后，立即用大量清水和酒精沖洗，隨后采用LEICA DM6000M光學顯微鏡進行金相組織觀察。

采用Instron5569 電子拉伸試驗機，按GB/T 228-2010《金屬材料 拉伸試驗第1 部分：室溫試驗方法》對三種熱處理后的板材沿橫向取樣，進行力學性能測試，獲得抗拉強度、屈服強度以及伸長率。

在鈦合金板材上沿著厚度方向取?5 mm×5 mm 的圓柱體試樣，進行動態壓縮試驗。動態壓縮試驗在?14.5 mm 分離式Hopkinson Bar 上進行，采用200 mm 撞擊桿，打擊氣壓為3～5 MPa，通過控制打擊氣壓使樣品的應變率維持在2 500～3 000 s-1，每組材料測試獲得至少兩組有效數據，計算獲得試樣在動態軸向壓縮加載條件下的動態真應力-應變曲線。

在靶場進行靶試試驗，采用87 式自動步槍和配套的5.8 mm 口徑普通鋼芯彈，子彈初速度為900～930 m/s，射擊條件為100 m 射距、0°入射角，命中靶板且垂直著彈記為有效命中。

2 結果及分析

2.1 組織與拉伸性能

TC4、TC6、TC11 經過β 相區固溶后水冷時效處理的金相組織如圖1 所示，可以看出在相變溫度以上加熱保溫時，組織中的晶粒明顯粗化，可以明顯觀察到保留下來的原始β 晶界，但是由于添加合金類型和含量的差異，導致原始β 粗大晶粒內部的亞結構有明顯的差異。從圖1（a）（b）中可以觀察到，TC4 鈦合金晶粒內部為典型的交叉排列分布的針狀馬氏體α'。經過β 相區固溶、水冷時效處理后，TC6 鈦合金組織中可以觀察到棒狀或條狀α 相，該組織為非平衡態的馬氏體α'組織在熱處理過程中向平衡態轉變并粗化所形成，如圖1（d）中箭頭標注所示，并且形成的α 相之間具有嚴格的取向關系。而TC11 鈦合金晶粒內部可以觀察到由β 組織轉變形成的白色次生α 相以及大量細小析出物，如圖1（f）所示。

圖1 三種鈦合金材料的金相組織Fig.1 The metallographic structure of three titanium alloy materials

正是由于組織的精細結構不同，導致三種鈦合金的拉伸性能也有明顯差異。熱處理后三種鈦合金的準靜態拉伸性能如圖2 所示，拉伸強度大小依次為TC4

圖2 三種鈦合金材料的拉伸性能Fig.2 The tensile properties of three titanium alloy materials

2.2 動態壓縮性能

對TC4、TC6、TC11 三種鈦合金材料的試樣進行應變速率為2 500～3 000 s-1的動態壓縮試驗，每種材料測試五組數據，獲得的動態真應力-應變曲線如圖3 所示，TC4 在該應變速率條件下進行壓縮，如圖3（a）所示，可以觀察到真應力-應變曲線存在屈服平臺，臨界斷裂應變（εcr）達到10.6%，壓縮過程發生了明顯的塑性變形過程，動態壓縮強度（σd）為1 519 MPa。TC6 和TC11(圖3(b)、(c))的動態壓縮曲線都沒有出現屈服平臺，臨界斷裂應變分別為3.8%和4.6%，仍然表現出脆性斷裂特性，動態壓縮強度較TC4 有更大幅度的提高，分別達到1 832 MPa 和1 973 MPa。

圖3 三種鈦合金材料的動態壓縮曲線Fig.3 The tensile properties of three titanium alloy materials

2.3 靶試試驗

對TC4、TC6 和TC11 靶板進行靶試測試，每塊靶板取兩發有效命中，分別觀察靶板的正面（迎彈面）和背面的宏觀損傷情況，如圖4 所示，三種鈦合金靶板在被5.8 mm 口徑鋼芯彈以900～930 m/s、0°入射角的條件侵徹后，均未被穿透，在迎彈面的著彈位置形成了外觀形貌不同的彈坑。對比分析彈坑宏觀形貌，從圖4（a）可以看出，子彈擊中TC4 靶板表面后形成橢圓形彈坑，經測量兩個彈坑侵入深度約4 mm，如表2 所示，開坑尺寸分別為15.0 mm×11.5 mm 和13.0 mm×14.5 mm，背面可以觀察到明顯的背凸（圖4(d)），而TC6 和TC11 鈦合金靶板形成的彈坑尺寸大小明顯小于TC4 靶板（圖4(b)、（c）），子彈侵入深度僅有3 mm 和2.5 mm，靶板背面有輕微背凸（圖4（e）、（f）），表明TC6 和TC11 較TC4 靶板對鋼芯彈的侵徹能夠起到更好的防護作用。

表2 三種鈦合金靶試后彈坑尺寸參數統計Table 2 Statistics of crater size parameters of three titanium alloy targets after test

圖4 不同鈦合金靶板靶試后正面和背面形貌Fig.4 Front and back surface morphology of different titanium alloy target plates after target test

2.4 分析與討論

子彈穿透靶板的過程可以分為三個階段：開坑-擴孔-崩落，如果子彈無法穿透靶板，表明子彈對靶板作用的能量不足以完成這三個階段，因此靶板在受到高速沖擊過程中能夠吸收能量的大小，將很大程度上決定材料的抗彈性能。動態壓縮曲線表征了材料在高速壓縮過程中的壓應力和壓縮應變的關系，曲線的積分面積可以看作為壓縮過程中吸收的能量，因此動態壓縮強度σd增大或臨界斷裂應變εcr增大，都可以使吸收的能量增大，由此可以看出，具有優異抗彈性能的材料應該在保障足夠大動態壓縮強度σd的同時，還應具有高的臨界斷裂應變εcr。

文中主要對比了TC4、TC6 和TC11 三種鈦合金針對于普通鋼芯彈的抗彈性能，相關研究表明[6]，普通鋼芯彈由于彈體本身強度不高，會使在擊中強度足夠高的靶板時，彈丸會破碎或反彈，大幅度降低其侵徹能力，因此，大幅度提高材料強度，是增強對普通鋼芯彈防御能力的有效途徑。采用β 相區高溫固溶+水淬+時效處理后，三種α+β 兩相鈦合金的拉伸強度都得到了大幅度提升，同時動態壓縮強度也達到了較高水平，TC11 鈦合金的動態壓縮強度σd達到了近2000 MPa，從結果來看，材料的準靜態拉伸強度越高，動態壓縮強度也越高。

結合三種鈦合金靶板在相同厚度條件下對5.8 mm 口徑普通鋼芯彈的防御效果來看，侵入深度最大的TC4 鈦合金為4.1 mm，僅為靶板厚度的三分之一，表明該條件下子彈穿透深度較淺，對靶板的損傷程度小，但是并不表明大于4.1 mm 厚度的靶板便能夠起到等效防護作用，殘余厚度對靶板的整體防護效果同樣起到關鍵作用。由于三種鈦合金靶板的塑性都較差，容易發生脆性剪切斷裂，在某個臨界厚度條件下，殘余厚度一旦不足以抵抗子彈的沖擊時，將以沖塞破壞的形式[7]直接被穿透。由此推斷，在厚度足夠大的條件下，可以近似將材料看作半無限厚，子彈以0°入射角垂直侵入深度越小，材料被穿透的臨界厚度將越小，表現為在該條件下的抗彈性能越好。綜上分析可以得出，針對普通鋼芯彈的防護，材料的動態壓縮強度與其抗彈性能存在對應關系，動態壓縮強度越高，抗彈性能越好，因此，試驗選用的三種α+β 兩相鈦合金中，TC11 鈦合金表現出最優異的抗彈性能。

3 結論

1）TC4、TC6 和TC11 三種α+β 兩相鈦合金經過固溶時效熱處理后，TC11 鈦合金的拉伸強度和動態壓縮強度最高，分別達到1 258 MPa 和1973 MPa，微觀組織可以觀察到晶粒內部存在有次生α 相以及大量細小析出物。

2）采用12 mm 厚度的三種鈦合金靶板進行靶試測試，對垂直入射的5.8 mm 口徑鋼芯彈均進行了有效防護，靶板彈坑宏觀形貌對比來看，TC6 和TC11 鈦合金靶板形成的彈坑尺寸大小明顯小于TC4 靶板，對鋼芯彈的侵徹有更好的防護作用。

3）針對普通鋼芯彈的防護，材料的動態壓縮性能與其抗彈性能存在對應關系，動態壓縮強度越高，臨界斷裂應變εcr越大，受沖擊過程吸收的能量越多，抗彈性能越好。