Ti-6Al-4V 彈體破壞模式對沖擊反應的影響研究*

何麗靈，張方舉，顏怡霞，謝若澤，徐艾民，周燕良

（1.中國工程物理研究院總體工程研究所，四川綿陽 621999；2. 工程材料與結構沖擊振動四川省重點實驗室，四川綿陽621999）

Ti-6Al-4V 是目前應用最廣泛的鈦合金，在航空航天、國防工業、醫藥等領域都有重要應用[1-2]，質輕且比強度高，兼具強度與韌性，綜合性能優異，是結構輕量化的重要替代材料，有作為戰斗部殼體、破片等的潛在應用價值。沖擊加載時，Ti-6Al-4V 構件快速形變將導致其局部溫度急劇上升，鑒于鈦、鋁等活性元素在高溫環境下將發生劇烈氧化放熱反應[2]，構件局部溫升可能誘發自燃，發生沖擊反應，有助于增強戰斗部毀傷威力。為全面評估含Ti-6Al-4V 戰斗部的毀傷威力，有必要研究Ti-6Al-4V 材料的沖擊反應條件及反應機理。然而，目前相關研究較匱乏。

所謂沖擊反應，是指由沖擊引起的材料放熱化學反應，如氧化、合金化、相變等[3]。能發生沖擊反應且兼具適當強度的材料稱為多功能含能結構材料[3]，其通常為脆性材料，如Zr 基非晶合金[4-8]、活性金屬粉末混合物等[9]。在高速沖擊條件下，由脆性多功能含能材料制成的結構一般將碎裂成碎片云，結構破壞模式對結構具體形式較不敏感。撞擊速度越高，脆性多功能含能材料形成的碎片個數越多，沖擊反應烈度越高[4,10-12]。然而，若多功能含能結構材料為韌性材料，其結構破壞模式將隨結構形式改變而改變，這可能影響其材料的沖擊反應能力。需進一步分析撞擊速度改變對結構破壞模式以及關聯沖擊反應能力的影響。

常溫狀態下，多功能含能結構材料性能穩定，可作為結構材料，因此，高溫是沖擊反應發生的重要條件之一，如Ti、Al、Mg 等活性金屬高溫環境下極易與氧氣發生氧化反應，同時釋放大量熱量[10,13-14]。亞穩態且性脆的Zr 基非晶合金高速撞擊時結構失效生熱，促使碎片產生相變與氧化，進一步釋放熱量[4-8]。Al、Mg 粉末與Fe2O3混合物制成的鋁熱劑碎片高速撞擊時形變與失效生熱，促使鋁熱劑反應，進一步釋放熱量[9]。沖擊加載下，材料快速變形、斷裂失效以及材料與碰撞界面的高速摩擦等均可快速生成大量熱量，提供激發沖擊反應的高溫環境。氧化、合金化、相變等沖擊放熱化學反應將進一步釋放熱量，維持高溫環境。

反應物接觸表面積是沖擊反應烈度的控制參數之一。反應物顆粒尺寸越小，接觸表面積越大，反應烈度越高[2,6]。如W/Zr 復合材料撞擊破碎形成的顆粒尺寸在200μm 以下時，易點燃形成火星或燃燒形成火球；但更大尺寸的顆粒將難以全部氧化[6]。將鋁熱劑粉末研磨至納米尺寸并充分混合制成的破片可提高鋁熱反應效率[9]。20μm 活性金屬粉末混合而成的復合材料，撞擊時更易激發金屬合金化與氧化反應[14]。即使反應產物（如氧化膜）可能隔離阻斷反應過程，但當碎片顆粒尺寸足夠小時，生成反應產物的一次反應就可將顆粒全部反應。因此，多功能含能結構材料沖擊后形成碎片的尺寸應是控制沖擊反應的重要參數。

針對Ti-6Al-4V，其塊體在600℃以下時與氧氣生成約100 nm 厚的致密氧化膜，將切斷內部Ti-6Al-4V 與氧氣的接觸路徑，阻斷內部材料的進一步氧化反應[15]。所謂塊體，即其最小尺寸在毫米或以上量級。盡管Ti-6Al-4V 燃燒產物易開裂脫落[16]，無法切斷氧氣與內部材料的接觸路徑，但其塊體燃燒條件較為苛刻，啟燃溫度約3 727℃，穩定燃燒溫度約2 937℃[17]。這說明塊體Ti-6Al-4V 在高溫環境下化學性能仍較為穩定，這也是其作為抗高溫結構材料的重要原因之一。

爆炸加載驅動Ti-6Al-4V 膨脹環的試驗中發現，膨脹環碎裂成毫米尺寸的碎塊。加載應變率為102s-1或材料為粗晶粒時，盡管膨脹環中激發了絕熱剪切帶，但斷面無明顯氧化痕跡；細晶粒且加載應變率達104s-1時，斷裂面呈紫藍色，有熔化痕跡[2]。盡管未激發沖擊反應，但說明在足夠多的熱量供給及足夠大的氧氣接觸表面積時，活性金屬Ti-6Al-4V 仍存在沖擊反應的可能。

鑒于Ti-6Al-4V 為韌性材料，本文設計兩種Ti-6Al-4V 彈體，以期撞擊混凝土后獲得不同的結構破壞模式；開展兩種彈體正侵徹混凝土試驗，觀察彈體是否發生沖擊反應；從宏觀和細觀兩個層面觀測侵徹后彈體，分析彈體的破壞模式；基于碎片特征揭示Ti-6Al-4V 材料的沖擊反應條件與機理，為其作為多功能含能結構材料的應用奠定基礎。

1 兩種Ti-6 Al-4 V 彈體侵徹混凝土的試驗現象分析

本文設計了兩種彈體，如圖1所示。一種頭部尖卵形，殼體為空心圓柱形，全部由Ti-6Al-4V 制成，稱為鈦合金彈；另一種頭部為碳/碳復合材料，殼體為Ti-6Al-4V 空心圓柱，稱為復合彈。侵徹靶標為無筋混凝土圓柱，外裹鋼皮，混凝土無約束抗壓強度48 MPa。彈靶幾何尺寸見表1。彈體采用口徑25 mm 滑膛火炮發射，正侵徹混凝土靶體，網靶通斷測量彈體著靶速度，高速攝影記錄彈靶作用過程，試驗布局見圖2。

表1 彈靶幾何尺寸Table 1 Dimensionsfor projectilesand target

圖2 試驗系統Fig.2 Layout of experimental set-up

兩種彈體侵徹混凝土靶標的試驗結果分別見表2和表3，侵徹前后彈體形狀對比分別見圖3和圖4。由圖表可知，鈦合金彈侵徹后仍能保持結構基本完整，僅彈體表面有摩擦磨損，質量損失在6%以內；而隨著靶速度增加復合彈破壞加劇，復合彈的鈦合金空心圓柱發生大變形并撕裂成塊，損失質量可高達70%。

表2 鈦合金彈侵徹試驗結果Table 2 Experimental results for titanium projectiles

圖3 侵徹前后鈦合金彈形狀對比Fig.3 Shape variation of titanium projectile before and after penetration test

圖4 侵徹前后復合彈形狀對比Fig.4 Shape variation of composite projectilebefore and after penetration test

表4 給出了不同著速時鈦合金彈侵徹混凝土的高速攝影圖像。當著速為364 m/s時（A01），觸靶40 μs后，鈦合金彈尖有零星火星，形成的火光并不連續；在后續侵徹過程中，A01的零星火星未能形成明亮的火光，在侵徹后約400μs時火星幾乎全部湮滅。當著速增至591 m/s時（A05），鈦合金彈尖有明亮火光，連續且對稱分布在彈尖位置，反應形成燃燒火球并隨侵徹進行持續增大，在約400μs時充滿高速攝影的整個視野，持續反應至約1 ms。在本文研究撞擊速度范圍內，侵徹混凝土時，鈦合金彈發生了沖擊化學反應。隨撞擊速度增加，鈦合金彈撞擊混凝土靶的化學反應烈度逐漸增加，反應持續時間逐步增長。這說明，即使為韌性材料，相同結構形式時，撞擊速度仍可表征多功能含能結構材料的反應烈度。

表4 同時刻不同著靶速度時鈦合金彈撞擊混凝土靶的高速攝影圖像對比Table4 High-speed photographies for titanium projectilespenetrating into concretetarget at different impact velocities

表5給出了不同著速時復合彈侵徹混凝土的高速攝影圖像。可以看出，在本文研究著速范圍內，復合彈觸靶后，頭部碳/碳復合材料破碎成粉末，后部鈦合金空心圓柱隨進。在整個侵徹過程中，高速攝影視野內只能見到碳/碳復合材料和混凝土靶的破碎粉塵，未見反應火星。這說明在本文研究速度范圍內，復合彈撞擊混凝土未發生沖擊反應。

類似撞擊速度時，復合彈未發生沖擊反應，而鈦合金彈有沖擊反應，這說明當多功能含能結構材料為韌性材料時，撞擊速度不再能統一表征不同結構形式的沖擊反應。需進一步分析結構破壞模式、反應機理等，獲得激發沖擊反應的條件。

表5 同時刻不同著靶速度時復合彈撞擊混凝土靶的高速攝影圖像對比Table 5 High-speed photographies for compositeprojectilespenetrating into concrete target at different impact velocities

2 兩種Ti-6 Al-4 V 彈體的破壞模式宏細觀分析

2.1 宏觀分析

侵徹后鈦合金彈結構完整，僅頭部鈍化，彈體表面有黑色附著物及平行犁溝，如圖3所示。隨撞擊速度增高，鈦合金彈質量損失增加，如圖5(a)所示。著靶速度接近1 000 m/s的高速撞擊時，隨著速增加，鈦合金彈質量損失有加速增加的趨勢。在本文研究速度范圍內，鈦合金彈總質量損失僅在6%以下。

圖5 鈦合金彈與鈦合金空心圓柱的質量損失Fig.5 Mass loss for hollow titanium cylinders and titanium projectiles

與鈦合金彈不同，撞擊混凝土后，復合彈中鈦合金空心圓柱產生結構大變形，撕裂成塊，呈花瓣狀破壞模式，如圖4所示。鈦合金空心圓柱撞靶后的大變形展現了彈體材料Ti-6Al-4V 良好的塑性形變能力。隨撞擊速度增加，鈦合金空心圓柱的剩余質量迅速減少，如圖5(b)所示。在本文研究撞擊速度范圍內，其質量損失可高達70%。試驗后回收部分鈦合金空心圓柱的碎片，如圖6所示。碎片多呈長條狀，若將碎片近似為長方體，則最長邊與最短邊之比約為5。除長度方向外，其余兩方向尺度之比約為2。碎片撕裂面一般貫穿整個厚度方向，且空心圓柱壁厚通常為碎片最短邊長。碎片形狀與爆轟驅動的非控破片形狀類似[18]，即長方體碎片三方向平均長度之比約為l1∶l2∶l3=1∶2∶5。因此，針對鈦合金空心圓柱，其壁厚僅2.6 mm，碎片其他兩方向特征尺寸分別為5.2 mm 和13 mm。

2.2 細觀分析

圖6 回收的部分鈦合金空心圓柱碎片Fig.6 Recovered fragments of the hollow titanium cylinder

2.2.1 Ti-6Al-4V 原始細觀組織

本文所用兩種彈體中Ti-6Al-4V 結構均由鍛造棒材制成，彈材原始金相組織見圖7。由圖可知，彈材細觀組織為α+β 的兩相組織，最小尺寸為微米量級。

2.2.2鈦合金彈

取A08的頭部橫、縱截面，以及A12的殼體中段橫截面開展金相分析，彈體外表面附近區域的金相形貌見圖8。由圖可知，與靶相互作用的彈體頭部和殼體外表面絕大部分區域附著熔融區（re-solidification zone,RSZ），而金相試樣切割面無熔融區覆蓋，見圖8(d)。熔融區為氧化物與彈靶碎渣等的混合物，其厚度從彈尖到殼體逐漸減薄，但均在0.1 mm 以下。這說明侵徹混凝土過程中，鈦合金彈體表面曾經歷高溫。彈體表面幾乎無明顯熱影響區（heat affected zone,HAZ），在彈尖縱剖面熔融區與未變形組織間發現厚度僅約數微米的熱影響區，區域內細觀組織有方向趨同的結構變化，類似剪切變形，如圖8(b)所示。這說明即使彈體表面溫度升高，但至多使彈體表面微米厚度內材料軟化。在彈靶摩擦力作用下，軟化后材料發生細觀組織形變，而所升高的溫度不足以促使材料發生明顯相變。彈體表面有碎片顆粒即將脫落，見圖8(a)和(c)，脫落顆粒形貌與切削碎片類似，尺寸在微米量級。混凝土骨料等硬質顆粒切削軟化后彈體表面材料，是彈體表面形成脫落碎片顆粒的重要原因[19-20]。

鑒于Ti-6Al-4V 良好的塑性變形特征與剪切敏感性[2,21]，在金相分析中特別關注了侵徹誘發的剪切帶，其金相形貌見圖9，其中SB代表shearing band。由圖可知，在A08頭部橫、縱截面與A12殼體橫截面發現了大量剪切帶，帶寬為微米量級，長度在10-4m 及以上量級。剪切帶在彈體表面圍成顆粒，極易與彈體脫離。脫落顆粒尺寸在10-4m 量級。

綜上所述，侵徹混凝土過程中，鈦合金彈表面與混凝土高速摩擦，將促使彈體表面數微米厚區域內材料溫度升高并軟化。在彈靶摩擦力與混凝土骨料等硬質顆粒切削作用下，高溫軟化的彈體表面區域材料易剪切變形，并形成顆粒碎片與彈體脫離，碎片尺寸為微米量級。彈體表面區域發現大量剪切帶，其圍成的碎片顆粒尺寸在10-4m 量級。脫離彈體表面的微米至百微米尺寸碎片易高溫氧化甚至燃燒，其產物與彈靶碎渣等混合，粘附在彈體表面，形成熔融區。因此，細觀組織剪切變形是鈦合金彈侵徹混凝土的主要破壞機理，形成的碎片尺寸在微米至百微米量級。

2.2.3鈦合金空心圓柱

侵徹后鈦合金空心圓柱撕裂面的金相組織如圖10所示。可見，與鈦合金彈不同，空心圓柱表面未覆蓋熔融區，說明空心圓柱表面未與混凝土高速摩擦。撕裂面“藍化”，與原始組織有色差，見圖10(a)，說明撕裂面釋放了大量熱量，將其高溫氧化。剪切帶沿撕裂方向發展，其形貌與鈦合金彈中剪切帶類似，寬度數微米，見圖10(b)。這說明鈦合金空心圓柱碎塊的撕裂面沿剪切帶方向發展。

圖7 鈦合金原始金相組織Fig.7 The undeformed microstructureof Ti-6Al-4V

圖8 鈦合金彈侵徹后頭部與殼體表面金相形貌（OMZ 表示未變形區）Fig.8 Metallograph of outer-surface in titanium projectile after penetration (OMZ represents origainal material zone)

綜上所述，侵徹混凝土時，鈦合金彈與鈦合金空心圓柱的破壞模式差異顯著：前者主要以細觀組織剪切變形為主要破壞模式，形成尺寸從微米到10-4m 量級的碎片顆粒；而后者撕裂面沿剪切帶方向發展，圍成大塊碎片，尺寸在毫米及以上量級。這兩種彈體破壞形成的碎片特征差異顯著。下文將分析碎片特征對Ti-6Al-4V 材料沖擊反應條件的影響。

3 碎片特征對Ti-6 Al-4 V 材料沖擊反應條件的影響

3.1 碎片尺寸及個數

由上文分析可知，鈦合金空心圓柱撞靶后形成大塊碎片，形狀可近似為長方體，三方向長度之比為l1∶l2∶l3=1∶2∶5，l1=2.6 mm。Ti-6Al-4V 的密度約為4.44 g/cm3，由鈦合金空心圓柱質量損失可以估算其碎片的總數，如圖11(a)所示。可見，在本文研究撞擊速度范圍內，鈦合金空心圓柱僅破碎形成至多百余個碎片。

針對鈦合金彈，其質量損失的主要機理為細觀組織剪切變形，形成的碎片顆粒尺寸分布在數微米至數百微米區間。為估算形成顆粒碎片的個數，取0.1 mm 為鈦合金彈撞靶后碎片的特征尺寸。基于鈦合金彈橫、縱截面金相分析，碎片三方向特征尺度近似相等，故簡單假設鈦合金彈撞靶后形成碎片為正方體，邊長為0.1 mm。根據鈦合金彈質量損失同樣可估算其碎片個數，如圖11(b)所示。由圖可知，高速撞擊鈦合金彈可形成高達3×106個的百微米尺寸碎片，在著靶面將形成碎片云。

圖9 鈦合金彈侵徹后頭部和殼體表面剪切帶金相形貌Fig.9 Metallograph of shear band (SB)on titanium projectileafter penetration

圖10 侵徹后鈦合金空心圓柱金相形貌Fig.10 Metallograph of hollow titanium cylinder after penetration

圖11 鈦合金彈與鈦合金空心圓柱的碎片個數Fig.11 Number of fragments for titanium projectiles and hollow titanium cylinders

當鈦合金彈著靶速度在423 m/s及以下時，整彈質量損失僅約1%，形成數十萬個百微米尺寸量級的碎片。由表4可知，此時盡管仍有沖擊化學反應，但碎片云的燃燒反應持續時間較短。當碎片數量上升至百萬量級，形成的碎片云被點燃，沖擊反應明顯且能持續約1 ms。這說明碎片數量對鈦合金彈沖擊反應烈度有較大影響。

3.2 不同尺寸碎片供熱及供氧效率對比

鈦合金彈金相分析表明，其表面未發現明顯熱影響區，這意味著在侵徹形成的高溫環境中，Ti-6Al-4V 材料細觀組織結構穩定，未發生明顯相變。因此，其沖擊反應主要為活性元素與氧氣發生的氧化或燃燒反應，反應表達式可表示為：

反應發生的先決條件是充足的熱量輸入及足夠的氧氣供給。

熱量與氧氣通過反應物質表面輸入，其供應效率由單位體積反應物質獲得的熱量或氧氣表征，即

式中：g為反應物質的供熱或供氧效率，γ 為反應物質的單位表面積熱量或氧氣輸入量，A為反應物質表面積，V為反應物質體積。此處反應物質指兩種彈體侵徹混凝土靶后形成的Ti-6Al-4V 碎片，鈦合金彈碎片為邊長l=0.1 mm 的正方體，而鈦合金空心圓柱的碎片為三邊長度之比為1∶2∶5的長方體，最短邊l1=2.6 mm。因此，式（2）可簡化為：

式中：下標h 和t 分別表示鈦合金空心圓柱與鈦合金彈的參量。可見，兩種彈體的供氧或供熱效率均與碎片的單位面積供氧或供熱效率成正比，與碎片特征尺寸成反比。

由前文分析可知，鈦合金彈空心圓柱以塑性變形與裂紋面撕裂為主要生熱機制，而鈦合金彈除這兩種生熱機制外，還包括摩擦生熱機制。假設鈦合金彈與鈦合金空心圓柱的塑性變形與裂紋面撕裂兩種生熱機制的單位供熱量相同（即γh=γt），則由于附加了摩擦生熱機制，鈦合金彈的單位面積供熱量大于鈦合金空心圓柱的單位面積供熱量。這意味著針對供熱效率，鈦合金彈碎片是鈦合金空心圓柱碎片的46倍以上，二者之比由式（4）比式（3）計算得到。類似的，兩種彈體在相同供氧環境下，即二者單位表面供氧量相同時，鈦合金彈碎片的供氧效率是鈦合金空心圓柱碎片的約46倍。因此，鈦合金彈形成的百微米尺寸碎片更易與氧氣反應。這應是鈦合金彈撞擊混凝土時發生沖擊反應，而鈦合金空心圓柱不能激發沖擊反應的本質原因。

綜上所述，Ti-6Al-4V 材料發生沖擊反應的必要條件是形成尺寸足夠小的碎片，如在本文撞擊混凝土的供熱與供氧條件下，其沖擊反應的碎片尺寸在百微米或更小量級。在特定供氧與供熱條件下，存在碎片沖擊反應的最大臨界尺寸，若碎片尺寸超過該尺寸，無論碎片個數達到多少，均不能發生沖擊反應；若碎片尺寸在最大臨界尺寸之內，碎片個數越多，沖擊反應烈度越高。如本文鈦合金彈碎片個數由十萬量級上升至百萬量級，沖擊反應由零星火星向較長時間的持續燃燒轉變。

4 結論

本文設計并開展了兩種結構的Ti-6Al-4V 彈體正侵徹混凝土試驗，撞擊速度在222～1 008 m/s之間。試驗發現，鈦合金彈存在沖擊反應而復合彈無法激發沖擊反應。二者破壞模式存在顯著差異：鈦合金彈侵徹后結構基本完整，僅彈體表面發生摩擦磨損，以細觀組織剪切變形為主要失效模式，形成尺寸在10-6至10-4m 量級的顆粒碎片，碎片個數可高達3×106；復合彈的鈦合金空心圓柱撕裂成塊，撕裂面沿剪切帶方向發展，碎片尺寸在毫米或以上量級，碎片個數至多百余個。彈體破壞模式決定了形成的碎片特征。形成足夠小的碎片是Ti-6Al-4V 材料發生沖擊反應的必要條件。特定供氧與供熱條件下，存在碎片沖擊反應的最大臨界尺寸。若碎片尺寸在最大臨界尺寸之內，碎片個數越多，沖擊反應烈度越高。在本文撞擊混凝土的供氧與供熱效率下，百微米量級的Ti-6Al-4V 碎片可發生沖擊反應；該尺寸碎片個數達百萬量級時，反應可持續約1 ms。

若確定了沖擊加載的供氧和供熱效率，可進一步基于化學反應等特征決定材料的沖擊反應最大臨界尺寸。據此設計結構形式，誘導結構破壞后形成在最大臨界尺寸之內的碎片，為沖擊反應準備必要條件。此外，可預制在沖擊反應最大臨界尺寸之內的顆粒混合物，撞擊后產生脆性破壞并直接釋放顆粒，同樣具備沖擊反應必要條件。沖擊反應的條件與機理研究為多功能含能結構材料的釋能應用奠定了基礎。