李嚴(yán)星，王 琳，2，3，閆志維，周 哲，寧子軒，劉安晉

(1. 北京理工大學(xué)， 北京 100081) (2. 沖擊環(huán)境材料技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081) (3. 爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081)

鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度高、組織穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于船舶和航空工業(yè)等領(lǐng)域[1-3]。作為結(jié)構(gòu)件材料, 鈦合金在使用過(guò)程中經(jīng)常會(huì)受到?jīng)_擊載荷的作用[4,5]。絕熱剪切是材料在沖擊載荷作用下的一個(gè)重要現(xiàn)象, 普遍存在于高速?zèng)_擊、侵徹、高速成形、沖蝕等高速變形過(guò)程中[6-9]。從熱力學(xué)角度來(lái)說(shuō)，高速?zèng)_擊載荷作用下材料變形塑性功轉(zhuǎn)化成熱能，大量熱能短時(shí)間難以疏散將引起絕熱升溫，導(dǎo)致熱塑性失穩(wěn)，從而引起絕熱剪切帶(adiabatic shear band)的形成和擴(kuò)展[10]。在絕熱剪切帶內(nèi)可產(chǎn)生應(yīng)變率高達(dá)105～107s-1的剪切應(yīng)變，溫升達(dá)到102～103K[5]。

鈦及鈦合金具有比較低的比熱容和熱導(dǎo)率，是一種絕熱剪切敏感性較高的材料[8,11]。關(guān)于鈦及鈦合金的絕熱剪切敏感性，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了大量研究。董新龍等[11]采用分離式霍普金森壓桿(split Hopkinson pressure bar，SHPB)技術(shù)對(duì)圓柱形TA2純鈦試樣的絕熱剪切破壞特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)壓縮后試樣中產(chǎn)生了對(duì)稱的雙圓錐形剪切帶。王丁等[12]對(duì)圓柱形、帽形TB2鈦合金試樣進(jìn)行了室溫動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，β單相組織的TB2鈦合金試樣絕熱剪切敏感性較高；雙相組織的絕熱剪切敏感性較低，承載能力更強(qiáng)。付應(yīng)乾等[13]以扁平閉合帽形TA2純鈦試樣為研究對(duì)象，研究了準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)加載下試樣絕熱剪切的破壞特征和力學(xué)響應(yīng)行為。研究發(fā)現(xiàn)，準(zhǔn)靜態(tài)加載下，剪切變形區(qū)始終保持一定寬度；而動(dòng)態(tài)加載下，剪切變形區(qū)的寬度逐漸減小，直至高度局部化的絕熱剪切帶形成，且其剪切區(qū)寬度明顯小于準(zhǔn)靜態(tài)加載。

Ti6321合金是上海鋼鐵研究所于20世紀(jì)80年代研制的一種新型中強(qiáng)高韌近α鈦合金，除了具有密度小、強(qiáng)度高、無(wú)磁性等優(yōu)良性能外，還具有高的沖擊韌性和斷裂韌性[14-16]。目前，關(guān)于Ti6321合金的研究多集中于熱處理對(duì)其力學(xué)性能的影響，而關(guān)于合金中相含量和分布對(duì)其絕熱剪切敏感性的影響鮮有報(bào)道。本研究通過(guò)不同熱處理工藝得到等軸組織、雙態(tài)組織和魏氏組織的Ti6321合金，利用SHPB作為加載裝置，研究不同組織的Ti6321合金的絕熱剪切行為，以期掌握Ti6321合金在動(dòng)態(tài)載荷下的服役性能。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為T(mén)i6321合金，名義成分為T(mén)i-6Al-3Nb-2Zr-1Mo，利用升溫金相法測(cè)得其(α+β)/β相變點(diǎn)為990～1000 ℃。Ti6321合金經(jīng)過(guò)表1所示4種工藝熱處理后，獲得顯微組織不同的4組試樣，分別編號(hào)為EM、BM1、BM2和WM。

表1 Ti6321合金的熱處理工藝Table 1 Heat treatment processes of Ti6321 alloy

圖1為T(mén)i6321合金經(jīng)不同工藝熱處理后的微觀組織。試樣經(jīng)800 ℃/1 h/AC熱處理后，組織中晶粒分布均勻，為等軸組織(圖1a)。熱處理溫度為960、980 ℃時(shí)，得到雙態(tài)組織，并且隨著熱處理溫度升高，雙態(tài)組織中初生α相體積分?jǐn)?shù)減少(圖1b、1c)。選取5個(gè)區(qū)域，通過(guò)Image-Pro Plus 6.0軟件定量統(tǒng)計(jì)經(jīng)不同溫度熱處理后組織中初生α相的含量。結(jié)果顯示，熱處理溫度從960 ℃增加到980 ℃時(shí)，初生α相體積分?jǐn)?shù)從48.9%下降到25.8%，說(shuō)明熱處理溫度對(duì)Ti6321合金α相含量有較大影響。圖1d為相變點(diǎn)以上熱處理后得到的由片層α相以及殘余β相構(gòu)成的魏氏組織，該組織中不含等軸α相。

圖1 Ti6321合金經(jīng)不同工藝熱處理后的微觀組織Fig.1 Microstructures of Ti6321 alloy heat treated by different processes：(a) 800 ℃/1 h/AC;(b) 960 ℃/1 h/AC;(c) 980 ℃/1 h/AC； (d) 1000 ℃/1 h/AC

采用圓柱帽形受迫剪切試驗(yàn)方法研究材料絕熱剪切變形及其破壞特性。試樣采用優(yōu)化后的強(qiáng)迫剪切結(jié)構(gòu)[12]，具體尺寸如圖2所示。在沖擊環(huán)境材料技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行Ti6321合金在高應(yīng)變率(103s-1量級(jí))下的絕熱剪切試驗(yàn)，利用SHPB對(duì)帽形試樣進(jìn)行加載。通過(guò)粘貼在入射桿和透射桿上的應(yīng)變片記錄脈沖信號(hào)，依據(jù)應(yīng)力波理論和均勻性假定[17-20]，利用D-Wave軟件分析試樣電壓隨時(shí)間的變化歷程。

圖2 帽形試樣尺寸示意圖Fig.2 Schematic diagram of hat sample size

不同于圓柱形試樣，帽形試樣在壓縮過(guò)程中處于壓剪復(fù)合的強(qiáng)迫剪切應(yīng)力狀態(tài)[21]。由于帽形試樣尺寸不規(guī)則，通過(guò)計(jì)算得到的應(yīng)變率不能作為準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)。為此，利用激光測(cè)速儀測(cè)量實(shí)驗(yàn)中的壓桿速度并作為沖擊速度，同時(shí)記錄電壓-時(shí)間曲線，觀察應(yīng)力塌陷的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，最終得出不同沖擊速度(15～25 m/s)下材料的承載時(shí)間和電壓幅值，以此反映材料的絕熱剪切敏感性。

根據(jù)應(yīng)力波基礎(chǔ)理論與SHPB加載原理計(jì)算試樣中應(yīng)力波的加載時(shí)間。假定試樣在加載過(guò)程中無(wú)剪切破壞，根據(jù)式(1)計(jì)算縱波在試樣中的傳播速度(v)。

(1)

式中：E為壓桿(壓桿材質(zhì)為55CrSi鋼)彈性模量，205 000 MPa；ρ為壓桿密度，7.85 g·cm-3。根據(jù)式(2)計(jì)算應(yīng)力波加載時(shí)間(t)。

t=2l/v

(2)

式中：l為壓桿長(zhǎng)度，200 mm。

計(jì)算可得透射脈沖寬度(即加載時(shí)間)約為78 μs。若加載過(guò)程中出現(xiàn)剪切破壞，試樣承載能力下降，透射脈沖寬度在不到78 μs就提前下降，出現(xiàn)應(yīng)力塌陷。承載時(shí)間越長(zhǎng)，表明材料的絕熱剪切敏感性越低，反之則絕熱剪切敏感性越高。

利用電火花切割機(jī)沿剪切試樣軸向切取金相試樣，經(jīng)打磨拋光后，對(duì)其表面進(jìn)行化學(xué)腐蝕。腐蝕劑由氫氟酸、硝酸和去離子水按體積比1∶5∶44混而成，腐蝕時(shí)間為6～8 s。利用光學(xué)顯微鏡觀察絕熱剪切試驗(yàn)后試樣的微觀組織。利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試樣的絕熱剪切帶形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同組織的絕熱剪切敏感性

圖3為沖擊速度25 m/s條件下4組試樣受沖擊后的宏觀照片。從圖3可觀察到每個(gè)試樣都受到了不同程度的壓縮。在魏氏組織試樣(圖3d)表面可觀察到擴(kuò)展方向與軸向基本一致的宏觀裂痕。等軸和雙態(tài)組織試樣(圖3a～3c)的表面未觀察到開(kāi)裂現(xiàn)象。

圖3 絕熱剪切試驗(yàn)后4組試樣的宏觀照片F(xiàn)ig.3 Macro photos of four specimens after adiabatic shear test：(a) EM;(b) BM1;(c) BM2;(d) WM

圖4為沖擊速度25 m/s條件下4組試樣受沖擊后的微觀組織。由圖4可知，4組試樣中均存在沿強(qiáng)迫剪切方向發(fā)展的絕熱剪切帶，其長(zhǎng)度分別為1.050、1.079、0.965、0.697 mm。帽形試樣發(fā)生絕熱剪切后，絕熱剪切帶的長(zhǎng)短反映了裂紋的擴(kuò)展情況。雙態(tài)組織試樣BM1中絕熱剪切帶最長(zhǎng)，裂紋擴(kuò)展得較淺，魏氏組織試樣WM中絕熱剪切帶最短，裂紋擴(kuò)展較為嚴(yán)重。通過(guò)對(duì)微觀組織放大觀察，發(fā)現(xiàn)試樣端口處均已出現(xiàn)撕裂痕。其中，等軸和雙態(tài)組織試樣的撕裂痕較為光滑，而魏氏組織試樣的撕裂痕擴(kuò)展較深，且出現(xiàn)高低不平的微小凸起，這是魏氏組織中大量縱橫交錯(cuò)的初生α片層組織在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中被撕裂所造成的。

圖4 絕熱剪切試驗(yàn)后4組試樣的微觀組織Fig.4 Microstructures of four specimens after adiabatic shear test：(a,b) EM;(c,d) BM1;(e,f) BM2;(g,h) WM

圖5為沖擊速度25 m/s條件下4組試樣受沖擊后的絕熱剪切帶形貌。從圖5可以看出，不同組織試樣的絕熱剪切帶形貌存在明顯差異。EM、BM1、BM2、WM試樣的絕熱剪切帶寬度分別約為 11.4、13.0、13.6、14.8 μm。絕熱剪切帶的寬度反映了試樣的變形程度，剪切帶越寬變形越嚴(yán)重。觀察剪切帶與周圍基體的變形情況，等軸組織試樣的絕熱剪切帶周圍晶粒發(fā)生了嚴(yán)重的拉長(zhǎng)變形，形成變形流線；雙態(tài)組織試樣的絕熱剪切帶與基體有著明顯的界限，周圍的片層組織沿著剪切帶拉伸，并且雙態(tài)組織BM2試樣的拉伸變形程度大于BM1試樣；魏氏組織WM試樣的剪切帶周圍基體沒(méi)有方向性的流線，剪切帶的擴(kuò)展路徑與一側(cè)基體的片層方向大致相同，剪切帶所在基體中的片層組織也出現(xiàn)了小部分的塑性流動(dòng)。

圖5 4組試樣的絕熱剪切帶形貌Fig.5 Morphologies of adiabatic shear band of four specimens： (a) EM;(b) BM1;(c) BM2;(d) WM

圖6為沖擊載荷作用下4組試樣的電壓-時(shí)間曲線(沖擊速度為25 m/s)。從圖6可以看出，魏氏組織試樣的承載時(shí)間和電壓幅值都明顯低于雙態(tài)組織和等軸組織試樣，結(jié)合絕熱剪切帶長(zhǎng)度、寬度及裂紋尖端擴(kuò)展情況，說(shuō)明魏氏組織試樣的絕熱剪切敏感性高于雙態(tài)和等軸組織試樣。這是因?yàn)槲菏辖M織的塑性變形能力較差，且縱橫交錯(cuò)的片狀組織間的協(xié)調(diào)變形能力也較差。而雙態(tài)和等軸組織的晶粒細(xì)小，在受到外界作用時(shí)有更好的變形協(xié)調(diào)能力，沖擊強(qiáng)度高于魏氏組織。另外，雙態(tài)組織和等軸組織試樣的電壓-時(shí)間曲線比較接近，說(shuō)明二者的絕熱剪切敏感性較為接近。

圖6 沖擊載荷作用下4組試樣的電壓-時(shí)間曲線(沖擊速度為25 m/s)Fig.6 Voltage-time curves of four specimens under impact load at velocity of 25 m/s

2.2 沖擊速度對(duì)絕熱剪切行為的影響

圖7為不同沖擊速度下4組試樣的電壓-時(shí)間曲線。從圖7可以看出，Ti6321合金承載能力并非瞬時(shí)下降，而是存在一個(gè)逐步破壞的過(guò)程，盡管這個(gè)過(guò)程很短(10-2s數(shù)量級(jí))。絕熱剪切是造成材料承載能力下降的主要原因，且材料的絕熱剪切敏感性越高，越容易發(fā)生絕熱剪切[12]。

由圖7還可以看出，不同沖擊速度下4組試樣在應(yīng)力波加載時(shí)間(78 μs)內(nèi)均出現(xiàn)了應(yīng)力塌陷，說(shuō)明均發(fā)生了剪切失效，且其加載時(shí)間呈現(xiàn)出一致的規(guī)律性，即隨著沖擊速度的升高而減小，表明隨著沖擊速度提高絕熱剪切敏感性提高。沖擊速度從16 m/s提高到21 m/s時(shí)，加載時(shí)間的下降幅值明顯高于沖擊速度從21 m/s提高到25 m/s的下降幅值。這是因?yàn)門(mén)i6321合金存在應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)，隨著沖擊速度增加(也即應(yīng)變率增加)，材料產(chǎn)生明顯的強(qiáng)化作用，由此出現(xiàn)承載時(shí)間減少量縮小的現(xiàn)象。

圖7 不同沖擊速度下4組試樣的電壓-時(shí)間曲線Fig.7 Voltage-time curves of four specimens at different impact velocities： (a) EM;(b) BM1;(c) BM2;(d) WM

圖8為不同沖擊速度下4組試樣的加載時(shí)間對(duì)比圖。從圖8可以看出，BM1試樣的加載時(shí)間最長(zhǎng)，WM試樣的加載時(shí)間最短。說(shuō)明在該條件下BM1試樣具有最低的絕熱剪切敏感性，WM試樣具有最高的絕熱剪切敏感性。在高速?zèng)_擊下，4組試樣的絕熱剪切敏感性相差不大，當(dāng)沖擊速度降低時(shí)，WM試樣表現(xiàn)出更高的絕熱剪切敏感性。

圖8 不同沖擊速度下4組試樣的加載時(shí)間Fig.8 Loading time of four specimens at different impact velocities

對(duì)比2種α相含量不同的雙態(tài)組織試樣，BM2試樣在3種沖擊速度下的加載時(shí)間都低于BM1試樣。說(shuō)明對(duì)于雙態(tài)組織，隨著初生α相含量降低，絕熱剪切敏感性增大。其原因在于熱處理溫度越低，Ti6321合金含有的初生α相越多，由于等軸狀α相較片層α相有更好的塑性，且增加α相尤其是球狀α相的含量會(huì)減少晶界數(shù)量。這些因素使得BM1試樣在受到外界作用時(shí)表現(xiàn)出更好的變形協(xié)調(diào)能力，材料內(nèi)部產(chǎn)生的能量更容易向四周擴(kuò)散，而不至于在局部位置產(chǎn)生較大溫升，發(fā)生絕熱剪切。因此，BM1試樣具有更低的絕熱剪切敏感性。

3 結(jié) 論

(1) 組織類型對(duì)Ti6321合金的絕熱剪切行為影響較大。相比等軸組織和雙態(tài)組織，魏氏組織的絕熱剪切敏感性更高。

(2) 隨著熱處理溫度的升高，雙態(tài)組織中初生α相含量下降，縱橫交錯(cuò)的片狀組織間協(xié)調(diào)變形能力較差，絕熱剪切敏感性增大。

(3) 在沖擊載荷作用下，Ti6321合金試樣的承載能力并非瞬時(shí)下降，存在逐漸破壞的過(guò)程。相的組成和分布對(duì)此破壞過(guò)程產(chǎn)生較大的影響。