TC4 ELI鈦合金動態壓縮性能及絕熱剪切敏感性的研究

徐雪峰， 王琳,2,3， 沙彥剛， 楊思琪， 劉安晉， Tayyeb Ali，張斌斌， 趙登輝

(1.北京理工大學 材料學院， 北京 100081; 2.北京理工大學 沖擊環境材料技術國家重點實驗室， 北京 100081;3.北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室， 北京 100081;4.洛陽船舶材料研究所， 河南 洛陽 471023; 5.中國兵器工業標準化研究所， 北京 100089)

0 引言

由于鈦有著比強度高、耐高溫、低溫、耐腐蝕等優良性能，廣泛應用于航空航天、機械、冶金等領域[1-3]。TC4 ELI合金是在TC4鈦合金的基礎上，降低了間隙元素的含量，使合金裂紋擴展速率降低，斷裂韌度提高，因而得到較為廣泛應用。相關研究表明，固溶溫度對TC4 ELI鈦合金的顯微組織有明顯的影響，從而影響材料的力學性能[4-7]。

絕熱剪切現象作為材料一種獨特的局部失穩現象，與材料失效有著密切關系，因此具有重要的理論意義和應用價值。近年來人們對于鈦合金在沖擊環境下絕熱剪切局域化現象進行了大量研究[8-14]，實驗方法多為利用霍普金森壓桿對特殊形狀試樣加載測量應力塌陷的臨界條件，從而比較不同材料間絕熱剪切敏感性的差別[15-17]，同時鈦合金的絕熱剪切行為與顯微組織密切相關，Lee等[18]研究等軸組織和雙態組織對TC4 鈦合金的動態變形行為和彈道沖擊性能發現：雙態組織發生剪切失效時的應變均高于等軸組織，而且等軸組織中更易發生絕熱剪切破壞。但分析精細結構對TC4 ELI動態性能及絕熱剪切敏感性影響的報道相對較少。

本文利用分離式霍普金森壓桿(SHPB)裝置，對不同熱處理制度的TC4 ELI鈦合金的動態力學性能進行測試，并獲得材料的臨界斷裂應變率。結合限位環精確控制變形技術在試樣的動態變形過程中獲得不同的應變，通過顯微形態分析和宏觀力學響應分析，研究鈦合金在動態壓縮過程中絕熱剪切帶的演化，為TC4 ELI鈦合金在高應變率條件下服役提供實驗和理論依據。

1 實驗材料與方法

本文實驗所用原材料為寶雞鈦業有限公司提供的TC4 ELI鈦合金板材，該材料經普通熱軋退火處理，化學成分見表1，其原始組織如圖1所示。確定合金的相轉變點是選擇合適的固溶時效熱處理工藝的先決條件和依據。經差示掃描量熱儀測得TC4 ELI合金(α+β)/β轉變溫度為970 ℃. 選取在相變點上下的不同溫度對樣品進行固溶處理(如表2)，從而獲得不同片層厚度的片層組織。

表1 TC4 ELI鈦合金化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical composition of TC4 ELI titanium alloy (mass fraction) %

圖1 TC4 ELI合金原始組織(放大200倍)Fig.1 Origin microstructure of TC4 ELI alloy (200×)

表2 熱處理工藝參數

Tab.2 Heat treatment parameters

材料編號熱處理制度HT1910℃/1h/ACHT2950℃/1h/ACHT31010℃/1h/AC

熱處理完成后，用電火花切割技術切取金相觀測試樣。試樣研磨拋光完成后，對試樣表面進行化學腐蝕，腐蝕劑為硝酸、氫氟酸及去離子水的混合液，比例10∶2∶88，腐蝕時間為8～12 s. 利用Axiovert-2000MAT型光學顯微鏡對熱處理金相樣品進行觀察并拍照。

根據國家標準GB/T 228.1—2010及GB/T 7314.1—2005，分別沿板厚切取準靜態拉伸和壓縮試樣，其中拉伸試樣標距為φ5 mm×25 mm，壓縮試樣尺寸為φ5 mm×8 mm．室溫準靜態拉伸和壓縮實驗均在Instron 5985型電子萬能材料實驗機上進行，實驗應變率為10-3s-1.

動態壓縮實驗在北京理工大學進行，實驗裝置如圖2所示，壓桿直徑為14.5 mm，對于一般金屬材料，設備應變率加載范圍為1 000～7 000 s-1，應變率由氣室氣壓控制，試樣尺寸為φ4 mm×4 mm. 分析動態壓縮實驗中所獲得的應力- 應變曲線，且為更好地描述材料的動態壓縮性能，在材料的臨界斷裂應變率時，引入了材料的動態流變應力、動態塑性變形和沖擊吸收能等參量，從而進一步研究片層厚度對材料動態力學性能的影響，其求解方法如下。

平均流變應力為合金的塑性變形階段流變應力的平均值，均勻塑性應變為塑性變形終止點εe與塑性變形起始點εi應變的差值，試樣失效前的沖擊吸收功E計算公式為

(1)

式中：σ為動態流變應力；ε為塑性應變。由(1)式可知，沖擊吸收功可以認為是σ與ε的積分，或應力- 應變曲線中均勻塑性變形曲線下方的面積。沖擊吸收功綜合考慮了合金強度和塑性兩方面因素，因此能夠更準確地反映合金的動態力學性能。

圖2 SHPB示意圖Fig.2 Schematic diagram of split Hopkinson pressure bar

在材料的臨界斷裂應變率下，結合限位環控制試樣應變對材料進行絕熱剪切敏感性研究，為確保限位環與壓桿良好接觸且為試樣沿徑向變形留有足夠空間，設計限位環外徑為14.5 mm，內徑為8 mm，共有9種高度(3.0～3.8 mm，高度差為0.1 mm)，限位環的高度是根據實驗中試樣的變形量來確定。

動態壓縮實驗后的試樣進行回收，將其沿縱向拋開，經過研磨、拋光以及腐蝕處理后利用光鏡對其絕熱剪切帶進行觀察，分析其絕熱剪切帶的萌生、擴展，直至試樣斷裂的整個過程；研究TC4 ELI合金在動態壓縮條件下，宏觀力學響應行為和微觀組織演化特征之間的關系。

2 結果與討論

2.1 顯微組織

通過對TC4 ELI鈦合金經過不同溫度的固溶處理，從而獲得3種不同片層厚度的片層組織，如圖3所示。

在3種固溶處理的鈦合金微觀組織中各選取100個點，經過金相分析軟件Nano Measurer測量得3種組織的平均α片層厚度分別為3.1 μm、1.8 μm、1.0 μm．

由于在熱處理過程中，片層狀α組織的析出是一個形核和長大的過程，隨著固溶溫度的降低，材料的過冷度隨之減小，當晶核在晶界處形成并向β相內生長時，較小的過冷度使得次生α相具有足夠的時間長大，因此隨著固溶溫度的降低，材料的次生α相的片層厚度增加。

2.2 準靜態力學性能

對3種不同片層厚度的TC4 ELI組織進行準靜態拉伸和準靜態壓縮實驗測試，實驗數據如表3所示。由表3可以看出，隨著固溶溫度的升高，材料的強度增加而塑性下降。

通過圖4可以更加清晰地觀察到，隨著α片層厚度的減小，材料強度升高和塑性下降的規律。由于α片層厚度減小時，材料的α/β相界增加，當材料發生塑性變形時，位錯滑移阻力增大，位錯更加容易塞積，因此，具有較小片層厚度的TC4 ELI鈦合金強度更高而塑性較低。

圖3 不同溫度熱處理后TC4 ELI鈦合金微觀形貌(放大200倍)Fig.3 Optical micrograph of TC4 ELI alloy after different heat treatment (200×)

表3 TC4 ELI合金的準靜態力學性能

Tab.3 Quasi-static mechanical properties of TC4 ELI alloy

材料編號屈服強度/MPa抗拉強度/MPa斷后伸長率/%斷面收縮率/%抗壓強度/MPaHT17628778.3181122HT27729127.5141127HT37859226.3121237

圖4 不同固溶溫度下TC4 ELI準靜態力學性能Fig.4 Quasi-static mechanical properties of TC4 ELI alloy at different solid solution temperatures

2.3 動態壓縮力學性能

利用霍普金森壓桿對3種不同片層厚度的TC4 ELI鈦合金進行動態壓縮性能測試。實驗應變率范圍為1 000 s-1直至材料斷裂，如圖5所示。各材料均在應變率為3 000 s-1時發生斷裂，計算材料斷裂應變率下的屈服強度、平均流變應力、臨界斷裂應變以及沖擊吸收功，并列于表4．

表4 臨界斷裂應變率下不同熱處理后TC4 ELI

合金的動態力學性能

Tab.4 Dynamic mechanical properties of TC4 ELI alloy after different heat treatments at critical fracture strain rate

材料編號流變應力/MPa應變/%沖擊吸收功/(MJ·m-3)HT1135126.7336HT2146723.0314HT3155819.9289

從圖5中可以看出，在同一應變率下，材料的動態強度隨著片層厚度減小而升高，同時塑性降低。而在同一應變率條件下隨著應變的增加，3種材料的強度均無明顯變化，即在室溫動態壓縮過程中，材料沒有明顯的應變硬化效應。

圖5 同一應變率和不同固溶溫度下TC4 ELI合金的真實應力- 真實應變曲線Fig.5 Dynamic true stress-strain curves of TC4 ELI alloy at different solid solution temperatures and the same strain rate

由表4可以看出：HT3材料的平均流變應力為1 558 MPa，塑性應變為19.9%，較之HT2材料強度增加6%，塑性降低了13.5%；HT2材料的平均流變應力為1 467 MPa，塑性應變為23.0%，較之HT1材料強度增加8.6%，塑性降低了13.9%。同時通過對比表3、表4發現，當材料加載應變率從10-3s-1提高到3 000 s-1時，HT1材料、HT2材料和HT3材料的強度分別增加了20.4%、30.2%以及25.9%，即材料均表現出應變率硬化效應。

2.4 絕熱剪切敏感性

在動態加載條件下，材料的動態變形過程可分為彈性變形階段，宏觀塑性變形階段，絕熱剪切帶萌生、擴展和斷裂4個階段。在動態力學性能測試過程中，3種不同片層厚度的TC4 ELI鈦合金均在3 000 s-1應變率時發生斷裂，在室溫動態壓縮實驗過程中，絕熱剪切帶的形成是在應變率和應變的耦合作用下產生的，為精確獲得絕熱剪切帶，因此在臨界斷裂應變率下進行限位環實驗，在此條件下通過精準地控制應變以獲得絕熱剪切帶的形成及擴展過程，從而研究片層厚度對于TC4 ELI材料絕熱剪切敏感性的影響。圖6為TC4 ELI合金不同溫度固溶處理后限位環動態壓縮真實應力- 真實應變曲線，未使用限位環時的真實應力- 真實應變曲線與各材料在圖5中應變率為3 000 s-1的曲線相同，其他曲線代表不同限位環的高度，分別為3.0 mm、3.2 mm、3.4 mm、3.8 mm等。

圖6 不同溫度熱處理后TC4 ELI合金限位環動態壓縮真實應力- 真實應變曲線Fig.6 Dynamic stress-strain curves of TC4 ELI alloy with stop ring under dynamic compression after different heat treatment

由圖6可以看出，在加載應變率為3 000 s-1條件下，3種不同固溶溫度處理的TC4 ELI合金在各限位高度的動態壓縮下，獲得真實應力- 真實應變曲線，其變化規律基本一致。隨著限位環高度的降低，曲線逐漸向未使用限位環壓縮的真實應力- 真實應變曲線重合，這反映了限位環壓縮的基本特征，因此對應階段的微觀組織特征能夠反映動態壓縮條件下材料變形到該應變下材料的組織變化特征。

圖7 不同限位環高度時HT1材料的微觀形貌(放大200倍)Fig.7 Microscopic morphology of HT1 material with different heights of stop ring (200×)

圖8 不同限位環高度時HT2材料的微觀形貌(放大200倍)Fig.8 Microscopic morphology of HT2 material with different heights of stop ring (200×)

圖7為HT1材料在臨界斷裂應變率下，不同限位環高度時的微觀形貌圖。當塑性應變較小時(限位環高度為3.4 mm)，可以看出材料中并未出現明顯的絕熱剪切帶；隨著塑性應變的增加(限位環高度為3.1 mm)，材料沿45°方向，即剪切應力的最大方向出現了絕熱剪切帶，在剪切帶周圍的晶粒發生嚴重的變形；當塑性應變接近自由變形時的塑性應變時(限位環高度為3.0 mm)，剪切帶寬度和長度均顯著增加，同時在這些剪切帶內觀察到微裂紋萌生，微裂紋的擴展最終導致了材料的失效破壞。HT2和HT3材料的微觀組織隨限位環高度變化規律與HT1材料相似(如圖8、圖9所示)，而3種材料產生絕熱剪切帶的限位環高度不同，分別為3.1 mm、3.2 mm和3.3 mm，換算為真實應變分別為0.255、0.223和0.192．同時對比圖7(c)、圖8(c)、圖9(c)發現，當塑性應變接近自由變形的塑性應變時，3種片層厚度的TC4 ELI鈦合金絕熱剪切帶寬度分別為3.1 μm、4.1 μm和14.7 μm，長度分別為128 μm、680 μm和1 144 μm．這主要是由于隨著片層厚度的減小，較小的α相結構內更加容易導致位錯的塞積且不利于材料的塑性變形，導致材料局部變形嚴重，從而導致更加嚴重的絕熱剪切行為發生。因此，隨著片層組織TC4 ELI合金片層厚度的減小，絕熱剪切帶的寬度和厚度顯著增加，剪切帶產生的臨界應變減小，即隨著片層厚度的減小，材料的絕熱剪切敏感性增加。

圖9 不同限位環高度時HT3材料的微觀形貌(放大200倍)Fig.9 Microscopic morphology of HT3 material with different heights of stop ring (200×)

3 結論

本文對不同片層厚度的TC4 ELI鈦合金準靜態力學性能、動態壓縮性能及絕熱剪切敏感性進行研究，得到結論如下：

1) 隨著熱處理溫度提高，片層組織TC4 ELI鈦合金的厚度明顯減小，由大概3.1 μm減小至1.0 μm．

2) 3種片層厚度的TC4 ELI鈦合金在準靜態壓縮和動態壓縮實驗中均表現出隨著片層厚度減小，強度增加并且塑性減小的規律；同時3種材料均有明顯的應變率硬化效應。

3) 在限位環實驗中，不同片層厚度的TC4 ELI鈦合金均發生了絕熱剪切破壞，在同一實驗條件下，HT1材料、HT2材料和HT3材料的絕熱剪切帶臨界產生應變分別為0.255、0.223和0.192；絕熱剪切帶寬度和長度隨片層厚度的減小而顯著增加，即隨著片層厚度減小，片層組織的TC4 ELI鈦合金絕熱剪切敏感性提高。