不同組織Ti6321鈦合金在低溫高應變速率下的變形和斷裂行為

李嚴星， 王琳，2，3， 閆志維， 安瑞， 周哲， 寧子軒， 程煥武，2， 程興旺，2

(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)

0 引言

鈦及鈦合金常作為結構件材料在航空、船舶、海洋工程等領域應用廣泛[1-2]，其服役過程經常要面臨高應變速率載荷的沖擊和不同環境溫度的共同作用[3-5]，這類服役條件下材料的力學性能與常規實驗(靜載荷、常溫)測定的結果并不相符，有些差別很大，用常規實驗性能指標作為高應變速率和低溫條件下使用的鈦及鈦合金選材和工藝制定的依據將帶來不確定性或有出現事故隱患的危險。因此，考慮材料在工程應用中的實際服役條件，開展低溫高應變速率下鈦合金的動態力學性能實驗具有重要意義。

關于鈦合金在低溫高應變速率下的動態性能，國內外已經進行了部分的研究，Zhang等[6]和Zhang等[7]利用分離式霍普金森拉桿(SHTB)技術對Ti-6.6Al-3.3Mo-1.8Zr-0.29Si鈦合金和Ti-5Al-2.5Sn鈦合金進行了較寬應變速率范圍的低溫拉伸實驗，結果表明鈦合金的低溫行為取決于應變速率和溫度，初始屈服應力和流變應力隨著應變速率的增加和溫度的降低而增加。高靈清等[8]探討了高應變速率和低溫對工業純鈦TA2力學性能和變形機制的影響，結果表明在高應變速率和低溫的共同作用下，TA2出現脆性，強度增加，塑性大大降低。Li等[9]和Meyers等[10]研究發現隨著溫度降低超細晶鈦的絕熱剪切帶寬度明顯減小，并且剪切帶內的再結晶晶粒尺寸也減小，剪切帶寬度減小是因為熱導率降低、比熱容降低和熱軟化增加的綜合效應導致的，晶粒尺寸減小是因為低溫下剪切帶中較大的局部剪切應變導致更嚴重的塑性變形使位錯密度上升所造成的。

本文所研究的近α型Ti6321鈦合金是上海鋼鐵研究所20世紀80年代研制的一種中強高韌鈦合金，其名義成分為Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo，具有良好的耐腐蝕、抗疲勞、耐低溫性等優點[11-13]，非常適合作為新型低溫材料用于海洋船舶等工業領域[14]。目前對Ti6321鈦合金的研究，多集中于常溫和高溫力學性能[15-17]，而關于低溫條件下動態力學性能的研究較少，而船舶材料在海洋環境服役下往往要面臨低溫和高負載的共同作用，因此有必要對其進行深入研究。本文針對Ti6321鈦合金板材，通過不同熱處理工藝得到等軸組織、雙態組織和魏氏組織，利用改進的SHPB作為加載裝置，研究Ti6321鈦合金不同組織在低溫下的變形和破壞行為，為Ti6321鈦合金在低溫高應變速率條件下的應用提供實驗和理論依據。

1 實驗材料與方法

實驗所用材料為熱軋態 Ti6321鈦合金板材，通過淬火金相法測得合金的相變點為992 ℃，通過不同熱處理工藝獲得不同形態的組織，熱處理工藝與預期組織如表1所示。熱處理完成后，采用金相顯微鏡觀察組織特征，不同熱處理工藝后Ti6321鈦合金的微觀形貌如圖1所示。由圖1可知，等軸組織中等軸狀的初生α相含量較高，雙態組織的初生α相含量較等軸組織有所降低，次生α相和β相的片層組織增加，魏氏組織由相變點以上熱處理獲得，在粗大的β晶粒內部分布著大量片層狀的α相。

表1 Ti6321鈦合金熱處理工藝及組織狀態Table 1 Heat treatment process and microstructures of Ti6321 titanium alloy

圖1 熱處理后3種組織的微觀形貌Fig.1 Microstructures of three alloys after heat treatment

熱處理后采用電火花線切割技術加工動態壓縮試樣，試樣采用φ5 mm×5 mm的圓柱樣品。低溫加載實驗在北京理工大學沖擊環境材料國防重點實驗室進行，實驗采用搭配低溫實驗系統的霍普金森壓桿裝置，裝置圖和示意圖如圖2所示，測試時將原始試樣放入SHPB低溫液氮測試系統中，分別設定預定溫度為-20 ℃和-80 ℃，待溫度穩定后持續通入液氮并保溫30 min以達到實際服役環境狀態，然后通過調節氣閥，使應變速率達到Ti6321鈦合金的臨界斷裂應變速率(2 500 s-1)，獲得壓縮的應力波形圖與應力- 應變曲線。加載后回收試樣，沿軸向切開，經過打磨、拋光和腐蝕后用于光學和掃描電子顯微鏡觀察，觀察和分析不同組織Ti6321鈦合金在不同溫度加載后的組織演化特征。

圖2 低溫霍普金森壓桿實驗系統Fig.2 Test system of the low-temperature Hopkinson pressure bar

2 實驗結果與分析

2.1 力學行為研究

圖3為應變速率2 500 s-1左右不同組織Ti6321鈦合金的壓縮真應力- 應變曲線，可以看出3種組織的流變應力均在1 200 MPa以上，且流變應力與加載溫度緊密相關，對于同一組織，流變應力隨加載溫度的降低而增加。

圖3 2 500 s-1應變速率下Ti6321鈦合金的 壓縮真實應力- 應變曲線Fig.3 True compressive stress-strain curves of Ti6321 titanium alloys at the strain rate of 2 500 s-1

表2為3種組織在不同溫度加載下的力學性能，從中可以看出，雙態組織的流變應力略高于等軸組織，遠高于魏氏組織，在不同溫度下均比魏氏組織高約100 MPa。溫度不僅影響流變應力，還會影響斷裂應變，隨著溫度降低，3種組織的斷裂應變整體呈現出減小的趨勢，當溫度從25 ℃降低到-80 ℃，雙態組織和魏氏組織的斷裂應變分別由0.197和0.208減小到0.147和0.149，二者的減幅相近，而等軸組織的斷裂應變僅從0.186減小至0.161，表明等軸組織在低溫下仍具有較好的塑性變形能力。沖擊吸收功綜合反映了強度和塑性的變化，由沖擊吸收功可以看出，隨著溫度的降低，3種組織的沖擊吸收功整體呈現減小的趨勢，但等軸組織由于低溫下仍具有較高的強度和斷裂應變，沖擊吸收功呈現不減反增的現象。

表2 不同組織Ti6321鈦合金在不同溫度 加載下的力學性能Table 2 Mechanical properties of Ti6321 titanium alloys with different microstructures under different temperature loadings

總之，在常溫下，雙態組織具有較好的強塑性匹配；在低溫下，等軸組織具有較高的強度和較好的低溫塑性變形能力，表現出較好的低溫動態壓縮性能，雙態組織具有最高的低溫抗壓強度，魏氏組織的強度和斷裂應變均較低。

2.2 微觀組織演化

在-80 ℃低溫壓縮后，3種組織中均出現了與加載方向呈45°的絕熱剪切帶，靠近絕熱剪切帶兩邊的組織向相反的方向塑性流動，形成剪切帶周圍的影響區，如示意圖4(a)所示，影響區的寬度遠高于剪切帶的寬度，在影響區之外，還存在與加載方向垂直的流變帶，如圖4(b)所示，等軸組織在加載后出現多條近似平行的流變帶(寬度約15～17 μm)，流變帶是為了緩解應力晶粒沿變形方向拉長所形成的，因此等軸組織在低溫下仍具有較高的應變和較好的塑性協調能力。

圖4 3種組織的微觀形貌及絕熱剪切帶Fig.4 Microstructures and adiabatic shear bands of the three alloys

由圖4(c)可知，雙態組織在壓縮后，靠近剪切帶附近的部分等軸狀的初生α相被拉長，形成了長寬比約7∶1的條狀組織，但由于β相和次生α相片層組織對變形的阻礙作用，在雙態組織中未形成類似等軸組織中細長的流變帶。而次生α相和β相組成的片層組織相對變形較小，僅靠近剪切帶周圍的片層發生了彎折變形。

由圖4(d)可知，魏氏組織在同樣應變速率加載后，剪切帶端部已經出現裂紋，裂紋穿晶擴展，呈現脆性斷裂的特征。魏氏組織的剪切帶周圍的組織也同樣呈現流動現象。

2.3 斷裂機制研究

在2 500 s-1應變速率下，3種組織中都觀察到了剪切帶，試樣并未發生斷裂，為了對低溫壓縮后的斷口進行研究，提高加載應變速率至3 500 s-1左右。圖5為3種組織Ti6321合金在-80 ℃、3 500 s-1應變速率左右的壓縮斷口形貌，通過斷口觀察可以發現，其壓縮斷口均由數量不等的韌窩和剪切面組成，在魏氏組織中還觀察到高度不同的解理臺階。

通過對比，3種試樣斷口中的韌窩數量按照等軸組織、雙態組織、魏氏組織的順序依次遞減。并且等軸組織的斷口表面韌窩較深且數量較多，可見該組織在斷裂前，較多的晶粒發生了較大的塑性變形；雙態組織試樣中的斷口表面，韌窩大小不一，表明其在斷裂前發生了不均勻的塑性變形；魏氏組織試樣斷口中出現多個高低不同的解理面，其周圍分布著變形較大的的韌窩和剪切面。

從試樣的斷口形貌分析表明了在低溫高應變速率的服役條件下中，等軸組織具有較好的塑性，雙態組織塑性較差，魏氏組織的塑性最差。魏氏組織試樣在低溫變形過程中經歷了明顯的解理斷裂過程。解理斷裂作為一種在正應力條件下發生的穿晶斷裂行為，其通常在塑性變形難以繼續進行時由于局部應力集中現象導致晶粒沿解理面進行分離，致使微裂紋迅速擴展，從而樣品斷裂失效。對bcc和hcp結構金屬而言，其在低溫條件下往往由于位錯滑移驅動力較高且應力集中得不到有效緩解時產生解理斷裂[18-20]，魏氏組織由于其晶粒粗大且片層組織變形協調能力較差，容易產生解理現象。

3 結論

本文對等軸組織、雙態組織和魏氏組織Ti6321鈦合金在不同溫度壓縮載荷作用下的變形和斷裂行為進行研究。得出以下主要結論：

1)隨著加載溫度的降低，3種組織試樣的流變應力增加，應變減小。其中等軸組織的應變下降較小，等軸組織在低溫下具有較好的強塑性匹配，在低溫下應用具有廣闊的前景。

圖5 Ti6321 鈦合金低溫壓縮斷口的微觀形貌Fig.5 Micro morphologies of low-temperature compression fracture of Ti6321 titanium alloys

2)等軸和雙態組織在壓縮后出現剪切帶和流變帶，魏氏組織在同樣應變速率加載后，剪切帶內部已經出現裂紋，裂紋穿晶擴展。

3)斷裂機制研究表明等軸組織和雙態組織表現出典型的韌性斷裂特征；魏氏組織斷口出現高低不平的解理面，表現出明顯的脆性斷裂傾向。