Ti-6321鈦合金力學性能和抗彈性能

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 材料學院， 北京 100081; 2.北京理工大學 沖擊環境材料技術國家級重點實驗室， 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；4.四川長虹電子控股集團有限公司， 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構材料，具有低密度、高比強度的特點，其優異的疲勞強度、抗裂紋擴展能力、良好的低溫韌性和抗腐蝕性得到軍事、航天、船舶等領域的廣泛關注[1-6]。尤其是在軍事領域，鈦合金的最大優勢在于高的比強度，其比強度與裝甲鋼相比，可達到2倍以上，在給裝甲車提供好的防護性能的同時，能夠減輕車輛的重量，達到靈活性與輕量性的目標[3-5]。

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

國內外對于鈦合金的抗彈性能也進行了大量的研究。Me-Bar等[11]研究了鈦合金板抗彈與動態力學行為的相關性，發現鈦合金靶板的破壞是由于在彈體侵徹過程中組織內產生了微孔洞，微孔洞生長聚集、產生裂紋導致靶板失效。楊凱文等[12]研究了TC21鈦合金抗彈性能與動態力學行為，結果表明雙態組織與片層組織的TC21鈦合金相比，動態壓縮強度更高。高瑞華等[13]研究了鈦合金抗彈性能與動態壓縮性能的關系，研究結果表明鈦合金的抗彈性能與動態強度以及動態塑性有很大的聯系，動態強度越高，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性能的關系，結果表明動態壓縮強度以及靜態強度與鈦合金的抗彈性能成正相關性。

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，具有優秀的綜合力學性能。目前對于Ti-6321鈦合金的研究集中在熱處理工藝、組織及力學性能[15-16]，對其抗彈性能和動態力學響應的研究卻鮮有報道，對于Ti-6321鈦合金在動態載荷作用下，宏觀損傷和微觀損傷的特征及機理認識更少。本文開展Ti-6321鈦合金在動態壓縮載荷作用下力學響應行為以及抗彈性能的研究，將為Ti-6321鈦合金在裝甲防護等領域的應用提供試驗支撐。

1 試驗材料及試驗方法

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Axiovert-2000MAT型光學顯微鏡對熱處理后的鈦合金樣品進行金相分析。

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壓縮試驗采用美國Instron公司產 5985型電子萬能材料試驗機進行，沿板材的厚度方向切取靜態壓縮試樣，試樣尺寸為φ5 mm×8 mm，實驗溫度為23 ℃，條件為應變率10-3s-1. 室溫動態壓縮力學性能測試采用SHPB，沿板厚方向切取動態壓縮試樣，試樣尺寸為φ4 mm×4 mm，加載應變率約為2 500 s-1，設備示意圖如圖1所示，試驗原理如參考文獻[8-10]介紹。

鈦合金的抗彈性能測試在中國兵器工業第208研究所的終點彈道實驗室進行， Ti-6321鈦合金靶板尺寸為200 mm×200 mm×26 mm，試驗用槍為53式7.62 mm彈道槍，發射7.62 mm口徑穿甲彈，試驗距離為10 m，穿甲彈速度為800 m/s，垂直侵徹，試驗裝置如圖2所示。每種靶板進行2次彈道試驗，通過彈道試驗獲得鈦合金靶板相應的極限穿甲深度(簡稱穿深)、面板彈坑直徑等數據，并進一步研究動態力學性能和抗彈性能的關聯性。利用日本Hitachi公司產S-4800冷場發射掃描電鏡 和德國Zeiss公司產Axiovert-2000MAT型光學顯微鏡進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構形貌特征，包括絕熱剪切帶(ASB)，分析其損傷機理。

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

2 試驗結果與分析

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：等軸組織具有規則形狀的等軸α相以及周圍少量的片層α/β相；雙態組織具有一定含量的等軸α相以及β相，轉變的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鈦合金準靜態和動態力學性能

對等軸組織、雙態組織和魏氏組織的Ti-6321鈦合金進行室溫下靜態和動態壓縮試驗，得到的力學性能數據如表2和圖4所示。在準靜態壓縮試驗中，3種不同組織的Ti-6321鈦合金抗壓強度相近：雙態組織的Ti-6321鈦合金屈服強度最高，為877 MPa；等軸組織的Ti-6321鈦合金的屈服強度略小于雙態組織；魏氏組織的屈服強度為811 MPa，明顯低于等軸組織和雙態組織材料。

表2 Ti-6321鈦合金的靜動態壓縮力學性能

圖4 Ti-6321鈦合金的動態壓縮真實應力- 真實應變(應變率2 500 s-1)Fig.4 Dynamic true stress-strain curves of Ti-6321 alloy(Strain rate of 2 500 s-1)

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

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

對回收試樣剖面的組織進行金相觀察，如圖5所示，在應變率2 500 s-1的動態壓縮條件下，3種組織Ti-6321鈦合金試樣均發生了絕熱剪切失效，出現了ASB. 絕熱剪切失效經常出現在導熱性差、應變強化效率低的材料中，在高應變率的塑性變形下，材料某一區域的熱軟化效應大于應變硬化效應，而使得材料在最大切應力方向出現ASB和微裂紋、微孔洞，進而導致材料失效[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數量最多，存在分叉匯合現象，微裂紋較多且沿ASB擴展；雙態組織的ASB數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象。所以在動態壓縮的應力條件下，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鈦合金較易發生絕熱剪切失效。

2.3 Ti-6321鈦合金的抗彈性能

抗彈試驗獲得性能如表3所示。可知 Ti-6321鈦合金靶板均未被擊穿，靶板背部也未出現背凸等現象，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]，進一步進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中數據可知，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組織和魏氏組織，雙態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，彈孔周圍的組織發生了大的剪切變形，出現了大量的ASB. 進一步對圖6中不同組織靶板的a、b、c等區域進行金相觀察。

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現：等軸組織的ASB數量以及擴展面積最小，延伸路徑為直線型，分叉匯合現象較少；在ASB中出現微孔洞與微裂紋，周圍組織沒有出現，說明材料最先在ASB上產生微孔洞，微孔洞聚集生長擴展為微裂紋，微裂紋沿著ASB擴展，進而產生宏觀裂紋導致材料失效；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，雙態組織彈坑邊緣較為不平整，在一側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；雙態組織鈦合金的剪切帶的數量和長度介于等軸組織和魏氏組織之間，也出現了剪切帶較多的分叉和匯合現象；剪切帶周圍的雙態組織也出現了明顯的變形，晶粒沿切應力方向被拉長，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：魏氏組織出現的ASB的數量和延伸長度明顯大于等軸組織和雙態組織，顏色呈與基體組織明顯區別的白亮色；而且ASB形貌與等軸組織相比，呈不規則的曲線形，表現出多條ASB交叉匯合的網絡狀，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剪切變形失效，所以相比等軸組織與雙態組織，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 靜動態力學性能對Ti-6321鈦合金抗彈性能的影響

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

圖10 Ti-6321鈦合金準靜態壓縮屈服強度、抗壓強度與靶板的絕對穿深相關性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，與動態壓縮載荷作用過程類似，受到高應變率沖擊載荷的作用，材料的動態響應過程具有一定的相似性。圖11為Ti-6321鈦合金動態壓縮力學性能與抗彈性能的相關性。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，其具有最高的動態流變應力和沖擊吸收功，魏氏組織鈦合金的絕對穿深最高，抗彈性能相對最差，其動態流變應力和沖擊吸收功也最小；3種組織鈦合金的動態塑性應變沒有明顯差距，與絕對穿深沒有明顯的相關性。因此，在動態壓縮力學性能中，動態流變應力與沖擊吸收功在一定程度上能夠反映靶板的抗彈性能，材料的動態流變應力與沖擊吸收能量越高，抗彈性能更優異。

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

3 結論

本文對不同組織的Ti-6321鈦合金準靜態壓縮力學性能、動態壓縮力學性能及抗彈性能進行研究，得到結論如下:

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

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了絕熱剪切失效，ASB中存在微孔洞和微裂紋；等軸組織出現的ASB數量最少、長度最短；魏氏組織具有最多的ASB，且長度最長，呈不規則的網絡狀分布。

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