側向稀疏波對Ti- 6Al- 4V合金層裂行為的影響

張峰浩，廖雪松，劉 青，李朋輝，楊華楠，趙慧林，古曉飛

(1.重慶紅宇精密工業有限責任公司， 重慶 402760； 2.北京理工大學， 北京 100081)

Ti- 6Al- 4V合金因其高的比強度、良好的耐蝕性等優異的綜合性能，使其在戰斗部及裝甲防護等軍用材料領域頗具應用價值。Ti- 6Al- 4V合金材料在使用過程中，承受高應變率甚至超高應變率下的載荷作用，表現出與準靜態載荷作用下很不相同的力學行為，如絕熱剪切變形破壞、層裂等，因此相關的研究工作受到了持續關注[1-6]。層裂是在材料自由表面產生的拉伸波應力幅值高于材料的動態拉伸強度極限后，材料內部將在某一特定位置發生動態斷裂，與基體分離的裂片稱作痂片。層裂作為金屬材料在高應變率條件下的一種特殊的斷裂模式，一直受到力學及材料界學者們的廣泛關注，層裂也是鈦合金在沖擊載荷作用下常發生的破壞方式，開展層裂機理研究，對其在軍事領域中的應用有著深刻的意義[4-6]。

早在20世紀初，Hopkinson就在一系列低碳鋼接觸爆炸實驗中發現了層裂破壞現象[4]，即材料內部在反射拉伸波作用下的微損傷形核、長大、連接，進而形成宏觀裂紋導致材料破壞分離的過程。作為Ti- 6Al- 4V合金層裂行為的早期研究代表，Me-Bar 等發現在晶粒較細小的雙態組織Ti- 6Al- 4V合金中，層裂微損傷主要形核于等軸α相晶界和α/β簇中；而在Ti- 6Al- 4V合金晶粒較粗大的層片組織中，微損傷主要在β相界或其晶粒內的針狀α相中形核，并且微裂紋形成后會繼續沿α、β晶界、α/β板條束、或馬氏體束擴展，并最終形成宏觀裂紋[7]。Arrieta[8]等在研究Ti- 6Al- 4V合金室溫加載條件下的層裂行為時，發現合金微損傷形核除了可以在α相晶界處、α/β簇中發生外，在三叉晶界處亦可發生。Tyler等[9]在對雙態組織低間隙Ti- 6Al- 4V合金層裂行為的研究中也發現，微損傷形核位置多集中于初生α相內及α相與α/β簇之界面處。本課題組前期在研究層片組織低間隙Ti- 6Al- 4V合金的層裂行為時也注意到，微裂紋沿α/β板條束擴展，并且由于不同區域內α/β板條束取向互異，微裂紋在擴展時會形成幾字形路徑[10]。

綜上所述，α、β、α/β簇內及各相間界面處均可成為Ti- 6Al- 4V合金層裂微損傷的形核部位。微損傷形核之后，繼續長大，并相互連接形成微裂紋。微裂紋最終擴展形成宏觀裂紋造成層裂破壞。在以上研究中，合金均是在一維應變條件下發生層裂。但是，在軍品實際應用中，靶板的橫向尺寸不可能無限大，故當平面沖擊波進入靶板后必然在其側向自由表面形成反射稀疏波對一維應變狀態產生干擾[11]。為滿足軍品某些項目后期升級改進，本研究將討論稀疏波對Ti- 6Al- 4V合金層裂行為的影響規律，對今后Ti- 6Al- 4V合金相關產品的改進具有重要意義。

1 實驗材料及實驗設計

1.1 實驗材料

實驗用材料為Φ80mm的Ti- 6Al- 4V合金棒，其主要化學成分如表1。金相試樣取于棒材中心位置，組織如圖1，板條α相于β基體中析出形成α/β簇。

表1 化學成分

圖1 Ti- 6Al- 4V合金的金相組織

1.2 實驗設計

平板撞擊實驗用一級高壓氣體炮，其發射管內徑及長度分別為Φ57 mm和12.5 m。裝靶前使用百分表調平靶架，確保撞擊平行度優于1×10-3rad。靶室內含回收艙，為防止試樣飛入后與艙壁發生二次撞擊，回收艙內壁包裹一定厚度橡膠墊并填充碎布作為緩沖物，以便對加載后的試樣進行“軟回收”。

為避免由于阻抗不匹配而導致波系復雜化，實驗以對稱碰撞方式進行，即飛片、蓋板、背板和靶板等均為相同材料，均取于Ti- 6Al- 4V合金棒材中間位置，且端面法線與合金棒材軸向平行。通常情況下，若忽略傳感器及膠層厚度，并將蓋板、靶板及背板視為一體。飛片直徑須大于總厚度(蓋板、靶板和背板厚度之和)的2倍，才能保證沖擊波在加載過程中靶板前表面不產生受側向稀疏波影響的區域。

因此，為對比側向稀疏波對合金層裂行為的影響，兩組實驗裝置中背板厚度分別為20 mm和10 mm，分別如圖2(a) 、圖2 (b)所示。每組實驗裝置測試3發，各組實驗裝置編號及預沖擊壓力列于表2。實驗中側向稀疏波干擾區域可用邊側稀疏角α來表征[11]。

其中，C為材料在特定沖擊壓力下的絕熱聲速，D和μ分別為沖擊波波速和粒子速率，通常情況下α最大值為45°。忽略膠層及傳感器厚度，1、3～3號實驗裝置中蓋板、靶板及背板總厚度(32 mm)超過飛片直徑(54 mm)的1/2，沖擊波加載過程中，陰影區域符合一維應變狀態，但背板前表面存在受側向稀疏波影響的區域。根據層裂基本理論可知[6]，此時層裂發生區域。

圖2 實驗裝置

編號飛片直徑/mm蓋板厚度/mm靶板厚度/mm背板厚度/mm預沖擊壓力/GPa15421020525421020735421020104542101055542101076542101010

2 結果與討論

2.1 層裂的宏觀特征

實驗所測各編號實驗裝置的靶內壓力列于表3中。將加載后的背板沿直徑剖開，其形貌如圖3所示。沖擊壓力低于5.40 GPa時，1號和4號背板縱剖面無明顯變化。沖擊壓力增至約7.00 GPa后，在2號和5號背板中均可觀察到一條宏觀裂紋(箭頭所指位置)，裂紋距背板自由面約3 mm。當加載壓力增加到10.24 GPa時，3號Ti- 6Al- 4V合金背板明顯開裂，形成痂片，并于其自由表面形成圓弧狀隆起。而在10.79 GPa壓力作用下6號背板已發生完全層裂破壞。

表3 Ti- 6Al- 4V合金靶內加載壓力

圖3 經不同幅值沖擊波作用后鈦合金背板的層裂宏觀形貌

2.2 層裂的微損傷形核及擴展

圖4～圖6分別為經不同幅值沖擊波作用后各Ti- 6Al- 4V合金背板中背板剖面中心位置(圖3方框處)層裂微損傷的顯微照片。當1號和4號裝置分別經5.40 GPa和4.08 GPa沖擊波作用后，僅在背板中觀察到很少量離散分布的微孔洞(圖4(a)和圖4 (b)中箭頭所示)，未發現裂紋。這些微孔洞多形核于α/β板條束中。

圖4 不同幅值沖擊波作用后Ti- 6Al- 4V合金背板中的微觀損傷

2號和5號裝置分別經幅值為7.00 GPa和6.39 GPa的沖擊波作用后，Ti- 6Al- 4V合金背板中均已產生肉眼可見的宏觀裂紋。如圖5(a)和圖5 (d)所示，于低倍光鏡下觀察發現，背板中主裂紋基本與沖擊方向垂直，可見在背板中心軸線附近，由壓縮應力波反射成為的拉伸波起到主導作用。然而，將圖5(a)中部分區域(方框位置)放大后觀察發現，在遠離背板中心軸線的區域，產生了絕熱剪切帶(圖5(b)和圖5(c)中箭頭所指處)。且這些位置的微裂紋明顯有沿絕熱剪切帶擴展并連接的趨勢；將圖5(d)中方框區域放大后(圖5(e)所示)發現了與圖5(c)中類似的擴展路徑。圖5(e)中箭頭指示處表明裂紋沿板條束擴展，并無絕熱剪切帶產生。相比于5號背板，2號背板層裂過程中裂紋擴展受側向稀疏波中剪應力分量的影響較大。

(a) 7.00 GPa; (d) 6.39 GPa及微損傷擴展路徑: (b), (c) 7.00 GPa; (e) 6.39 GPa

綜合2號和5號背板的微觀形貌可以發現，在本研究中，裂紋除了沿α/β板條束擴展之外，還會沿剪切帶擴展。這表明在側向稀疏波影響下產生的剪切帶將為裂紋擴展提供新的途徑。

3號裝置經10.24GPa沖擊波作用后，背板已經發生剝離，產生層裂面。此時在背板中心軸線附近區域反射拉伸波依然起主導作用(裂紋水平)，而在靠近邊側位置，部分裂紋接近垂直(圖6(b))，表明此時側面稀疏波對層裂之影響較大，層裂破壞過程在側向稀疏波與反射拉伸波的共同作用下完成。而6號裝置經10.79GPa沖擊波作用后背板已發生完全剝離，并未發現類似3號背板的近似垂直的裂紋，經放大后在圖6(e)中可以看到，裂紋仍是沿板條束擴展且并未有絕熱剪切帶產生。此結果也與之前對背板的應力分析情況相吻合。在主裂紋附近及主層裂斷口附近出現大量微損傷，經放大后在圖6(c)和圖6(e)中可以清楚地看到微損傷形核位置及長大擴展形成微裂紋之趨勢。與之前報道[10]相似，該合金中層裂微孔洞大部分形核于α/β板條束中，微孔洞相互連接形成微裂紋后繼續沿α/β板條束擴展。而與之不同的是，在本研究中，由于1、2、3號裝置中背板厚度增加導致側向稀疏波干擾了層裂區域的一維應變狀態，在剪應力分量的作用下，產生絕熱剪切帶(圖5(b) 、圖5 (c))及近似平行于沖擊方向的裂紋(圖6(b))；而在4、5、6號裝置中，背板前表面含有未受側向稀疏波影響的區域，因此層裂過程中并未發現絕熱剪切帶的存在。

雖然在3號裝置中仍然可以觀察到背板的剝離情況，但是相比于6號裝置，此時的層裂行為已經不是在簡單的一維應變反射拉伸狀態下發生，而是以軸向應力為主的三維應力狀態。由應力波在背板中的傳播過程可知，整個層裂區域都受到了側向稀疏波的影響。然而不同部位受側向稀疏波的影響程度不同：在背板中心處主裂紋與沖擊方向垂直，表明在背板自由面中心區域仍以軸向應力反射拉伸為主，側面稀疏產生的影響較小，故在金相分析時，觀察不到剪切波引起的剪切帶；但在遠離背板中心軸向區域，側向稀疏波的影響加強，即可觀察到在剪應力分量作用下產生的剪切帶(圖5(b) 、圖5 (c))或是近似平行于沖擊方向的裂紋，如圖6(b)。

3 結論

1) 側向稀疏波破壞了沖擊載荷下Ti- 6Al- 4V合金層裂位置所處的一維應變狀態，使材料受徑向拉應力的影響增大，導致部分微裂紋近似與沖擊方向平行。

2) 層裂發生過程中，微孔洞主要于α/β板條束中形核并長大，在一維應變狀態被破壞的情況下，微裂紋除了沿α/β板條束擴展外，還將沿絕熱剪切帶擴展，這使得裂紋的擴展變得更容易。從而加速了裂紋擴展。