Ti–6Al–4V合金中絕熱剪切帶之間相互作用規(guī)律及其對(duì)抗多次打擊性能的影響

1、Ti 6Al 4V 合金中絕熱剪切帶之間相互作用規(guī)律及其對(duì)抗多次打擊性能的影響鈦合金具有低密度、高比強(qiáng)度、較好的塑、韌性及耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，是一種優(yōu)良的輕型防護(hù)裝甲材料。 在裝甲服役環(huán)境中， 鈦合金材料通常需承受彈丸或破片等的高速撞擊作用。 由于鈦合金強(qiáng)度較高且熱導(dǎo)率較低，在此類高速碰撞等高應(yīng)變率加載條件下容易形成絕熱剪切帶（Adiabatic shear band，ASB）。裂紋易于在 ASB中形核、擴(kuò)展及連接等，并最終導(dǎo)致材料的絕熱剪切失效，這極大地限制了鈦合金在高應(yīng)變率加載條件下的應(yīng)用。鑒于此，本研究以三種分別具有等軸組織、 淬火時(shí)效組織和層片組織的Ti 6Al 4V合金為研究對(duì)象， 通過

2、彈靶作用實(shí)驗(yàn)、 靜動(dòng)態(tài)加載實(shí)驗(yàn)， 利用光學(xué)金相顯微鏡 （ OpticalMicroscopy,OM）、掃描電子顯微鏡（ Scanning Electron Microscopy, SEM）、透射電子顯微鏡（ TransmissionElectronMicroscopy,TEM）等系統(tǒng)地研究了彈靶作用條件下三種組織 Ti 6Al 4V合金內(nèi) ASB的形成、分布，帶內(nèi)微觀組織演化及ASB分叉、交截等相互作用規(guī)律及其對(duì)于合金抗彈性能的影響規(guī)律，主要研究成果如下： 平頭彈沖擊作用下，三種組織 Ti 6Al 4V合金靶板承受撞擊面均產(chǎn)生直徑約10mm，深度約 1mm的彈坑。并且，隨沖擊速率增加， 相同厚

3、度靶板內(nèi)的彈坑深度及直徑均增加，子彈發(fā)生鐓粗、部分破碎甚至完全破碎。靶板內(nèi)形成多條近似平行的ASB并伴隨有 ASB分叉、交截、阻隔等多種復(fù)雜的相互作用， 并有微孔洞、 微裂紋在 ASB內(nèi)萌生及擴(kuò)展。 多條 ASB的形成及分布規(guī)律是由靶板內(nèi)最大剪切應(yīng)力的分布決定的。靶板內(nèi)最長 ASB的長度隨子彈沖擊速率增加而先增加后減小。在沖擊速率相近時(shí)， 層片組織靶板內(nèi)最長ASB的長度最大，淬火時(shí)效組織次之，等軸組織內(nèi)的最小。 ASB的微觀組織由等軸晶粒和條狀晶粒組成，是由于原始晶粒在剪切應(yīng)力的作用下發(fā)生拉長、 碎化、旋轉(zhuǎn)及再結(jié)晶等過程而形成。 其中，等軸晶粒是原始晶粒發(fā)生完整的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程而形成；條狀亞晶

4、是原始晶粒僅發(fā)生拉長、碎化、旋轉(zhuǎn)而未完全的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程或直接由原始晶粒發(fā)生剪切變形而形成。ASB分叉是由于 ASB形成過程中部分未完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶亞晶粒與其周圍的等軸再結(jié)晶晶粒之間的變形不協(xié)調(diào)達(dá)到一定程度所導(dǎo)致的。等軸組織合金中ASB分叉數(shù)量較少， 而淬火時(shí)效組織及層片組織合金中ASB分叉數(shù)量較多； 淬火時(shí)效組織合金中 ASB分叉多分布于不同的ASB中，而層片組織合金中單條ASB可能會(huì)發(fā)生多次分叉； 并且，在層片組織合金中， 不同晶粒束集內(nèi)層片晶粒排列方向也不同，導(dǎo)致在不同晶粒束集相遇時(shí)更易產(chǎn)生較大的變形不協(xié)調(diào)，即 ASB易于在晶粒束集邊界處分叉。 ASB交截過程中，先擴(kuò)展至交截處的ASB內(nèi)的

5、拉長亞晶再次剪切變形并分布于后擴(kuò)展至交截處的ASB中的交截部分。ASB交截會(huì)阻礙后擴(kuò)展至交截處ASB的擴(kuò)展。當(dāng)此阻礙作用大于ASB擴(kuò)展能力時(shí)，即會(huì)發(fā)生 ASB阻隔。淬火時(shí)效組織和層片組織合金對(duì)于亞晶粒再次剪切變形的阻礙能力大于等軸組織合金。ASB對(duì)于靶板材料抗多次打擊性能的影響可以分為兩個(gè)方面。一方面，由于裂紋易于在 ASB內(nèi)形核并擴(kuò)展， ASB可能會(huì)造成材料承載能力下降，另一方面，第一發(fā)彈所形成的ASB可能對(duì)第二發(fā)彈形成的ASB有阻礙其擴(kuò)展的作用， 從而使其抗第二發(fā)打擊能力增強(qiáng)。 雙發(fā)彈部分重疊實(shí)驗(yàn)中， 重疊部分 ASB數(shù)量增多且有明顯彎折現(xiàn)象。其中部分 ASB明顯長于單發(fā)彈作用后的ASB，

6、是由于第二發(fā)彈作用使其發(fā)生了進(jìn)一步擴(kuò)展。 但 ASB彎折、相互作用等會(huì)吸收更多能量，有利于靶板材料的抗多次打擊性能。雙發(fā)彈完全重疊實(shí)驗(yàn)中，ASB 內(nèi)易于產(chǎn)生較長裂紋并造成背面崩落，因此， ASB不利于此狀態(tài)下的抗多次打擊性能。三種組織 Ti-6Al-4V合金受影響區(qū)材料的靜、 動(dòng)態(tài)力學(xué)性能相對(duì)于原始材料呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律， 這是由于材料內(nèi)部位錯(cuò)密度及位錯(cuò)形態(tài)的變化以及不同組織合金各自的微觀形貌決定的。并且，由于這種變化， 使得在雙發(fā)彈部分重疊實(shí)驗(yàn)中，第二發(fā)彈作用會(huì)使得第一發(fā)彈坑深度略微增加，背面凸起程度也略有增加，但并不會(huì)造成開裂或沖塞。 通過三種組織 Ti-6Al-4V合金 ASB內(nèi)的損傷演化分析可知，受影響區(qū)材料與原始材料相比，等軸組織和淬火時(shí)效組織合金