黃竣皓， 王琳,2,3， 劉小品， 徐雪峰， 劉安晉， Tayyeb Ali， 周哲，寧子軒， 楊佳彬， 張斌斌, 程興旺,2,3

(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；4.四川長虹電子控股集團(tuán)有限公司， 四川 綿陽 621000；5.洛陽船舶材料研究所， 河南 洛陽 471023)

0 引言

鈦合金作為一種新型結(jié)構(gòu)材料，具有低密度、高比強(qiáng)度的特點(diǎn)，其優(yōu)異的疲勞強(qiáng)度、抗裂紋擴(kuò)展能力、良好的低溫韌性和抗腐蝕性得到軍事、航天、船舶等領(lǐng)域的廣泛關(guān)注[1-6]。尤其是在軍事領(lǐng)域，鈦合金的最大優(yōu)勢在于高的比強(qiáng)度，其比強(qiáng)度與裝甲鋼相比，可達(dá)到2倍以上，在給裝甲車提供好的防護(hù)性能的同時，能夠減輕車輛的重量，達(dá)到靈活性與輕量性的目標(biāo)[3-5]。

對于不同微觀組織的鈦合金在高應(yīng)變率下的動態(tài)力學(xué)響應(yīng)，陳洋等[7]研究了雙態(tài)組織的鈦合金在高應(yīng)變率條件下的動態(tài)力學(xué)行為，結(jié)果表明鈦合金組織中出現(xiàn)了明顯的絕熱剪切現(xiàn)象，等軸晶粒對絕熱剪切的發(fā)生有抵抗作用。劉新芹等[8]利用分離式Hopkinson壓桿(SHPB)研究了雙態(tài)組織和片狀組織的TC4鈦合金在高應(yīng)變率下的動態(tài)力學(xué)性能，試驗(yàn)結(jié)果表明在單向壓縮和壓縮剪切復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下，鈦合金組織中均出現(xiàn)了絕熱剪切現(xiàn)象。趙登輝等[9]、杜文文等[10]采用SHPB和Taylor桿研究了Ti-5553鈦合金的動態(tài)力學(xué)性能，并對其動態(tài)特性進(jìn)行了模擬分析。

國內(nèi)外對于鈦合金的抗彈性能也進(jìn)行了大量的研究。Me-Bar等[11]研究了鈦合金板抗彈與動態(tài)力學(xué)行為的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)鈦合金靶板的破壞是由于在彈體侵徹過程中組織內(nèi)產(chǎn)生了微孔洞，微孔洞生長聚集、產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致靶板失效。楊凱文等[12]研究了TC21鈦合金抗彈性能與動態(tài)力學(xué)行為，結(jié)果表明雙態(tài)組織與片層組織的TC21鈦合金相比，動態(tài)壓縮強(qiáng)度更高。高瑞華等[13]研究了鈦合金抗彈性能與動態(tài)壓縮性能的關(guān)系，研究結(jié)果表明鈦合金的抗彈性能與動態(tài)強(qiáng)度以及動態(tài)塑性有很大的聯(lián)系，動態(tài)強(qiáng)度越高，則抗彈性能越好。余東輝等[14]研究了鑄造鈦合金的抗彈性能與動態(tài)性能的關(guān)系，結(jié)果表明動態(tài)壓縮強(qiáng)度以及靜態(tài)強(qiáng)度與鈦合金的抗彈性能成正相關(guān)性。

Ti-6321(Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo)合金是我國自主研制的一種近α型鈦合金，具備良好的耐腐蝕性能、長的使用壽命，能夠承受重載荷，具有優(yōu)秀的綜合力學(xué)性能。目前對于Ti-6321鈦合金的研究集中在熱處理工藝、組織及力學(xué)性能[15-16]，對其抗彈性能和動態(tài)力學(xué)響應(yīng)的研究卻鮮有報道，對于Ti-6321鈦合金在動態(tài)載荷作用下，宏觀損傷和微觀損傷的特征及機(jī)理認(rèn)識更少。本文開展Ti-6321鈦合金在動態(tài)壓縮載荷作用下力學(xué)響應(yīng)行為以及抗彈性能的研究，將為Ti-6321鈦合金在裝甲防護(hù)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供試驗(yàn)支撐。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

樣品原材料為厚度為26 mm的軋制Ti-6321鈦合金板材。Ti-6321鈦合金靶板樣品分組以及具體的熱處理工藝如表1所示，即分別在800 ℃、980 ℃和1 030 ℃溫度下保溫1 h，然后在空氣中冷卻(AC)至室溫，從而獲得不同組織的Ti-6321鈦合金。利用德國Zeiss公司產(chǎn)Axiovert-2000MAT型光學(xué)顯微鏡對熱處理后的鈦合金樣品進(jìn)行金相分析。

表1 熱處理工藝

圖1 SHPB裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of SHPB system

Ti-6321鈦合金在室溫條件下的靜態(tài)壓縮試驗(yàn)采用美國Instron公司產(chǎn) 5985型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，沿板材的厚度方向切取靜態(tài)壓縮試樣，試樣尺寸為φ5 mm×8 mm，實(shí)驗(yàn)溫度為23 ℃，條件為應(yīng)變率10-3s-1. 室溫動態(tài)壓縮力學(xué)性能測試采用SHPB，沿板厚方向切取動態(tài)壓縮試樣，試樣尺寸為φ4 mm×4 mm，加載應(yīng)變率約為2 500 s-1，設(shè)備示意圖如圖1所示，試驗(yàn)原理如參考文獻(xiàn)[8-10]介紹。

鈦合金的抗彈性能測試在中國兵器工業(yè)第208研究所的終點(diǎn)彈道實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行， Ti-6321鈦合金靶板尺寸為200 mm×200 mm×26 mm，試驗(yàn)用槍為53式7.62 mm彈道槍，發(fā)射7.62 mm口徑穿甲彈，試驗(yàn)距離為10 m，穿甲彈速度為800 m/s，垂直侵徹，試驗(yàn)裝置如圖2所示。每種靶板進(jìn)行2次彈道試驗(yàn)，通過彈道試驗(yàn)獲得鈦合金靶板相應(yīng)的極限穿甲深度(簡稱穿深)、面板彈坑直徑等數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步研究動態(tài)力學(xué)性能和抗彈性能的關(guān)聯(lián)性。利用日本Hitachi公司產(chǎn)S-4800冷場發(fā)射掃描電鏡 和德國Zeiss公司產(chǎn)Axiovert-2000MAT型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行靶板彈坑周圍微觀組織的觀察和分析，獲得不同組織的鈦合金靶板的微結(jié)構(gòu)形貌特征，包括絕熱剪切帶(ASB)，分析其損傷機(jī)理。

圖2 靶試試驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of terminal ballistic test system

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試樣的金相分析

通過不同熱處理工藝得到的Ti-6321鈦合金顯微組織如圖3所示。從圖3中可以看出：等軸組織具有規(guī)則形狀的等軸α相以及周圍少量的片層α/β相；雙態(tài)組織具有一定含量的等軸α相以及β相，轉(zhuǎn)變的β組織中又存在片狀的α組織；魏氏組織則是束叢狀的α相和β相。

圖3 Ti-6321鈦合金的顯微組織Fig.3 Microstructures of Ti-6321

2.2 Ti-6321鈦合金準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)力學(xué)性能

對等軸組織、雙態(tài)組織和魏氏組織的Ti-6321鈦合金進(jìn)行室溫下靜態(tài)和動態(tài)壓縮試驗(yàn)，得到的力學(xué)性能數(shù)據(jù)如表2和圖4所示。在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)中，3種不同組織的Ti-6321鈦合金抗壓強(qiáng)度相近：雙態(tài)組織的Ti-6321鈦合金屈服強(qiáng)度最高，為877 MPa；等軸組織的Ti-6321鈦合金的屈服強(qiáng)度略小于雙態(tài)組織；魏氏組織的屈服強(qiáng)度為811 MPa，明顯低于等軸組織和雙態(tài)組織材料。

表2 Ti-6321鈦合金的靜動態(tài)壓縮力學(xué)性能

圖4 Ti-6321鈦合金的動態(tài)壓縮真實(shí)應(yīng)力- 真實(shí)應(yīng)變(應(yīng)變率2 500 s-1)Fig.4 Dynamic true stress-strain curves of Ti-6321 alloy(Strain rate of 2 500 s-1)

在應(yīng)變率2 500 s-1動態(tài)壓縮試驗(yàn)中：等軸組織的Ti-6321鈦合金具有最高的動態(tài)流變應(yīng)力以及沖擊吸收功，分別為1 400 MPa以及267 MJ/m3；魏氏組織Ti-6321鈦合金的動態(tài)流變應(yīng)力以及沖擊吸收功明顯小于等軸組織和雙態(tài)組織，說明魏氏組織在動態(tài)壓縮條件下的動態(tài)強(qiáng)度最低。3種組織Ti-6321鈦合金的動態(tài)塑性應(yīng)變差異不明顯。動態(tài)壓縮力學(xué)性能與準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)性能相比較，Ti-6321鈦合金具有明顯的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)。等軸組織屈服強(qiáng)度從準(zhǔn)靜態(tài)的865 MPa，提高到相應(yīng)動態(tài)流變應(yīng)力的1 400 MPa，提高幅度為62%.

圖5 Ti-6321鈦合金動態(tài)壓縮試樣的ASBFig.5 Adiabatic shear bands of Ti-6321 alloy

對回收試樣剖面的組織進(jìn)行金相觀察，如圖5所示，在應(yīng)變率2 500 s-1的動態(tài)壓縮條件下，3種組織Ti-6321鈦合金試樣均發(fā)生了絕熱剪切失效，出現(xiàn)了ASB. 絕熱剪切失效經(jīng)常出現(xiàn)在導(dǎo)熱性差、應(yīng)變強(qiáng)化效率低的材料中，在高應(yīng)變率的塑性變形下，材料某一區(qū)域的熱軟化效應(yīng)大于應(yīng)變硬化效應(yīng)，而使得材料在最大切應(yīng)力方向出現(xiàn)ASB和微裂紋、微孔洞，進(jìn)而導(dǎo)致材料失效[17-19]。由圖5可得：等軸組織的ASB較為筆直，剪切帶周圍組織的變形程度較大；魏氏組織的ASB數(shù)量最多，存在分叉匯合現(xiàn)象，微裂紋較多且沿ASB擴(kuò)展；雙態(tài)組織的ASB數(shù)量和組織形變程度介于等軸組織和魏氏組織之間，也存在剪切帶的分叉現(xiàn)象。所以在動態(tài)壓縮的應(yīng)力條件下，等軸組織的Ti-6321鈦合金抵抗絕熱剪切失效的能力較好，魏氏組織的Ti-6321鈦合金較易發(fā)生絕熱剪切失效。

2.3 Ti-6321鈦合金的抗彈性能

抗彈試驗(yàn)獲得性能如表3所示?？芍?Ti-6321鈦合金靶板均未被擊穿，靶板背部也未出現(xiàn)背凸等現(xiàn)象，可類比為半無限靶板，因此通過測量7.62 mm穿甲彈垂直侵徹后未擊穿靶板的絕對穿深，來表征Ti-6321鈦合金的抗彈性能[11-14]。被擊穿金屬靶板被穿甲彈侵徹的過程包括開坑階段、侵徹階段以及擊穿階段[11]，進(jìn)一步進(jìn)行面板坑口以及縱剖面宏觀損傷分析，測量面板的彈坑直徑，來比較不同組織靶板在開坑階段的抗損傷性能。3種熱處理制度得到的Ti-6321鈦合金靶板的面板損傷及縱剖面損傷如表4所示。

表3 Ti-6321鈦合金的抗彈性能

由表3中數(shù)據(jù)可知，不同典型組織的Ti-6321鈦合金靶板的絕對穿深在18～20 mm之間，其中等軸組織鈦合金靶板的絕對穿深略小于雙態(tài)組織和魏氏組織，雙態(tài)組織靶板的絕對穿深略小于魏氏組織，所以具有等軸組織Ti-6321鈦合金的抗彈性能較好。雙態(tài)組織Ti-6321鈦合金靶板的彈坑平均直徑和最大直徑則最小，面板抵抗開坑破壞的性能最為優(yōu)異；魏氏組織的靶板彈坑直徑最大，等軸組織的靶板開坑深度最大，所以等軸組織和魏氏組織的Ti-6321鈦合金靶板面板抵抗開坑破壞的性能低于雙態(tài)組織鈦合金。

表4 不同組織的Ti-6321鈦合金靶板宏觀損傷

2.4 Ti-6321鈦合金的微觀損傷分析

對鈦合金靶板的彈孔周圍組織進(jìn)行金相分析，如圖6所示。由圖6可以看出， Ti-6321鈦合金靶板在受到子彈沖擊后，彈孔周圍的組織發(fā)生了大的剪切變形，出現(xiàn)了大量的ASB. 進(jìn)一步對圖6中不同組織靶板的a、b、c等區(qū)域進(jìn)行金相觀察。

圖6 Ti-6321鈦合金靶板彈孔局部組織Fig.6 Local microstructures of Ti-6321 titanium targets

等軸組織Ti-6321鈦合金靶板的彈孔局部組織如圖7所示。分析彈坑周圍組織發(fā)現(xiàn)：等軸組織的ASB數(shù)量以及擴(kuò)展面積最小，延伸路徑為直線型，分叉匯合現(xiàn)象較少；在ASB中出現(xiàn)微孔洞與微裂紋，周圍組織沒有出現(xiàn)，說明材料最先在ASB上產(chǎn)生微孔洞，微孔洞聚集生長擴(kuò)展為微裂紋，微裂紋沿著ASB擴(kuò)展，進(jìn)而產(chǎn)生宏觀裂紋導(dǎo)致材料失效；彈坑邊緣較為光滑，組織的變形程度最大，說明等軸組織鈦合金在沖擊過程中吸收了很多的能量，從而抑制了ASB的生成，使得等軸組織鈦合金具有最少的ASB數(shù)量，抗彈性能相對較好。

圖7 等軸組織的Ti-6321鈦合金局部ASBFig.7 ASBs of Ti-6321 with equiaxed structure

雙態(tài)組織的Ti-6321鈦合金靶板彈孔局部組織如圖8所示。與等軸組織相比，雙態(tài)組織彈坑邊緣較為不平整，在一側(cè)邊緣凸起部分存在被彈體破壞的裂紋，并且伴隨著多條ASB的出現(xiàn)；雙態(tài)組織鈦合金的剪切帶的數(shù)量和長度介于等軸組織和魏氏組織之間，也出現(xiàn)了剪切帶較多的分叉和匯合現(xiàn)象；剪切帶周圍的雙態(tài)組織也出現(xiàn)了明顯的變形，晶粒沿切應(yīng)力方向被拉長，變形程度小于等軸組織靶板的彈坑邊緣組織。

圖8 雙態(tài)組織的Ti-6321鈦合金局部ASBFig.8 ASBs of Ti-6321 with bimodal structure

魏氏組織的Ti-6321鈦合金靶板彈孔局部組織如圖9所示。由圖9可以看出：魏氏組織出現(xiàn)的ASB的數(shù)量和延伸長度明顯大于等軸組織和雙態(tài)組織，顏色呈與基體組織明顯區(qū)別的白亮色；而且ASB形貌與等軸組織相比，呈不規(guī)則的曲線形，表現(xiàn)出多條ASB交叉匯合的網(wǎng)絡(luò)狀，分叉使得ASB路徑增加；彈坑邊緣的凸起與裂紋最多，彈坑周圍組織的變形程度最小，說明魏氏組織鈦合金塑性變形能力差且極易出現(xiàn)剪切變形失效，所以相比等軸組織與雙態(tài)組織，其抗彈性能最差。

圖9 魏氏組織的Ti-6321鈦合金局部ASBFig.9 ASBs of Ti-6321 with Widmannastatten microstructure

2.5 靜動態(tài)力學(xué)性能對Ti-6321鈦合金抗彈性能的影響

不同組織的Ti-6321鈦合金靜態(tài)壓縮性能及抗彈性能相關(guān)性如圖10所示。從圖10可知，雙態(tài)組織具有最高的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮屈服強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，而魏氏組織具有最低的屈服強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，不同組織的Ti-6321鈦合金的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮屈服強(qiáng)度以及抗壓強(qiáng)度與其抗彈性能沒有明顯的正相關(guān)關(guān)系，所以準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)性能不能很好地反映鈦合金的抗彈性能。

圖10 Ti-6321鈦合金準(zhǔn)靜態(tài)壓縮屈服強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度與靶板的絕對穿深相關(guān)性Fig.10 Correlation between quasi-static compressive mechanical properties and ballistic performance of Ti-6321 alloy

鈦合金靶板的彈體侵徹過程，與動態(tài)壓縮載荷作用過程類似，受到高應(yīng)變率沖擊載荷的作用，材料的動態(tài)響應(yīng)過程具有一定的相似性。圖11為Ti-6321鈦合金動態(tài)壓縮力學(xué)性能與抗彈性能的相關(guān)性。由圖11可得：等軸組織鈦合金具有最佳的抗彈性能，絕對穿深最小，其具有最高的動態(tài)流變應(yīng)力和沖擊吸收功，魏氏組織鈦合金的絕對穿深最高，抗彈性能相對最差，其動態(tài)流變應(yīng)力和沖擊吸收功也最??；3種組織鈦合金的動態(tài)塑性應(yīng)變沒有明顯差距，與絕對穿深沒有明顯的相關(guān)性。因此，在動態(tài)壓縮力學(xué)性能中，動態(tài)流變應(yīng)力與沖擊吸收功在一定程度上能夠反映靶板的抗彈性能，材料的動態(tài)流變應(yīng)力與沖擊吸收能量越高，抗彈性能更優(yōu)異。

圖11 Ti-6321鈦合金的在動態(tài)壓縮載荷作用下動態(tài)流變應(yīng)力、沖擊吸收功、動態(tài)塑性與靶板的絕對穿深相關(guān)性Fig.11 Correlation among dynamic flow stress, impact absorbing energy, dynamic plasticity with ballistic performance of Ti-6321 alloy

3 結(jié)論

本文對不同組織的Ti-6321鈦合金準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)性能、動態(tài)壓縮力學(xué)性能及抗彈性能進(jìn)行研究，得到結(jié)論如下:

1)在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮載荷作用下，雙態(tài)組織Ti-6321鈦合金具有最高的屈服強(qiáng)度，魏氏組織的強(qiáng)度最低。在2 500 s-1應(yīng)變率的動態(tài)壓縮載荷作用下，等軸組織鈦合金具有最高的動態(tài)流變應(yīng)力和沖擊吸收功，魏氏組織鈦合金動態(tài)流變應(yīng)力和沖擊吸收功最低。Ti-6321鈦合金具有顯著的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)。

2)在Ti-6321鈦合金靶板的抗彈性能測試中，等軸組織鈦合金靶板表現(xiàn)出了最佳的抗彈性能，絕對穿深最小。

3)微觀損傷研究表明，不同組織鈦合金靶板均出現(xiàn)了絕熱剪切失效，ASB中存在微孔洞和微裂紋；等軸組織出現(xiàn)的ASB數(shù)量最少、長度最短；魏氏組織具有最多的ASB，且長度最長，呈不規(guī)則的網(wǎng)絡(luò)狀分布。

4)不同組織的Ti-6321鈦合金的動態(tài)壓縮力學(xué)性能中，動態(tài)流變應(yīng)力與沖擊吸收功能較好地反映材料的抗彈性能；而準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)性能卻不能很好地反映鈦合金的抗彈性能。