Ti–6Al–4V合金中絕熱剪切帶之間相互作用規(guī)律及其對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)律及其對抗多次打擊性能的影響鈦合金具有低密度、高比強度、較好的塑、韌性及耐腐蝕性等優(yōu)點，是一種優(yōu)良的輕型防護裝甲材料。 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、 淬火時效組織和層片組織的Ti 6Al 4V合金為研究對象， 通過

2、彈靶作用實驗、 靜動態(tài)加載實驗， 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， 層片組織靶板內(nèi)最長ASB的長度最大，淬火時效組織次之，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， 而淬火時效組織及層片組織合金中ASB分叉數(shù)量較多； 淬火時效組織合金中 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展至交截處的ASB中的交截部分。ASB交截會阻礙后擴展至交截處ASB的擴展。當(dāng)此阻礙作用大于ASB擴展能力時，即會發(fā)生 ASB阻隔。淬火時效組織和層片組織合金對于亞晶粒再次剪切變形的阻礙能力大于等軸組織合金。ASB對于靶板材料抗多次打擊性能的影響可以分為兩個方面。一方面，由于裂紋易于在 ASB內(nèi)形核并擴展， ASB可能會造成材料承載能力下降，另一方面，第一發(fā)彈所形成的ASB可能對第二發(fā)彈形成的ASB有阻礙其擴展的作用， 從而使其抗第二發(fā)打擊能力增強。 雙發(fā)彈部分重疊實驗中， 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)生了進一步擴展。 但 ASB彎折、相互作用等會吸收更多能量，有利于靶板材料的抗多次打擊性能。雙發(fā)彈完全重疊實驗中，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、 動態(tài)力學(xué)性能相對于原始材料呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律， 這是由于材料內(nèi)部位錯密度及位錯形態(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)彈部分重疊實驗中，第二發(fā)彈作用會使得第一發(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，等軸組織和淬火時效組織合金