溫 霞,楊世源,王軍霞,張 林,劉小楠

(1.西南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,四川 綿陽(yáng)621010;2.中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 綿陽(yáng)621900)

1 引 言

鈦合金具有較高的比強(qiáng)度和比模量、良好的氧化性和抗蠕變性、優(yōu)良的溫度強(qiáng)度和剛度、較低的密度等,是一種很有發(fā)展前途的高溫結(jié)構(gòu)材料,被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、飛機(jī)等民用及軍工領(lǐng)域[1-6]。由于Ti6Al4V 合金強(qiáng)度高、塑性好、蠕變強(qiáng)度較高、低溫時(shí)有良好的韌性并有良好的抗海水腐蝕及抗熱鹽腐蝕的能力,適于制造在400 ℃以下長(zhǎng)期工作的機(jī)器零件,因此在鈦合金的應(yīng)用中大部份為T(mén)i6Al4V[7-11]。本文中側(cè)重于研究沖擊動(dòng)載荷下Ti6A l4V 合金的形貌及微觀結(jié)構(gòu)的變化,分析Ti6Al4V 合金裂紋的生長(zhǎng)變化,為提高Ti6Al4V 的宏觀性能研究提供參考。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

平板撞擊實(shí)驗(yàn)在中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所?100 mm 一級(jí)輕氣炮上進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)為飛片/樣品。實(shí)驗(yàn)分2 組進(jìn)行:(1)對(duì)稱(chēng)正碰撞方式,飛片為T(mén)i6Al4V,飛片速度分別為400、500 m/s。(2)非對(duì)稱(chēng)正碰撞方式,飛片為45 鋼,飛片速度為600 m/s。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示。其中飛片直徑60 mm、厚3 mm,樣品直徑90 mm、厚6 mm。

采用氣炮驅(qū)動(dòng)平面飛片,在靶中產(chǎn)生矩形沖擊波,對(duì)樣品進(jìn)行軟回收。為避免沖擊后的樣品與樣品盒底部發(fā)生2 次碰撞,在樣品盒內(nèi)放入聚碳酸酯對(duì)樣品進(jìn)行固定,聚碳酸酯的尺寸與樣品一致,并在靠近樣品的一端留一小孔,用于吸收一部分沖擊余力,對(duì)靶起到緩沖作用。沖擊后回收到的樣品見(jiàn)圖2。圖中給出了層裂面的完整面貌,說(shuō)明軟回收是成功的。

圖1 平面撞擊實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Experimental device of plane shock loading

圖2 沖擊后回收的樣品及樣品盒Fig.2 S pecimens and their settings af ter shock

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 樣品回收

不同的沖擊速度對(duì)樣品形成由弱到強(qiáng)的矩形脈沖,從圖2 中可以看到,Ti6Al4V 合金在中心形成飛片大小的不同程度損傷,樣品盒由輕微變形直至完全破裂。在對(duì)稱(chēng)碰撞實(shí)驗(yàn)中,沖擊速度v ≈400 m/s時(shí),合金表面幾乎看不出損傷的痕跡,整個(gè)樣品向沖擊方向稍微發(fā)生彎曲,樣品盒在沖擊壓縮作用下被壓縮,填充在內(nèi)部的聚碳酸酯發(fā)生嚴(yán)重變形;沖擊速度達(dá)到500 m/s 左右時(shí),合金表面有明顯的損傷面,樣品盒被嚴(yán)重壓縮撕裂,聚碳酸酯只有少部分可以回收。而在非對(duì)稱(chēng)碰撞過(guò)程中,由于靶以及靶速的改變,樣品完全變形,合金表面可以看到弧形的損傷面,在中心直徑約60 mm 的下凹面,有斷裂的趨勢(shì)。但損傷面并不是光滑的,而是在強(qiáng)剪切作用下呈鋸齒形狀。材料的損傷不僅與撞擊速度有關(guān),也與飛片的材質(zhì)有關(guān)。由于材料的沖擊阻抗不同,在樣品中形成的沖擊壓力將有明顯的差別,低阻抗材料中的低,高阻抗材料中的比較高。

3.2 SEM 形貌分析

圖3 樣品SEM 形貌分析Fig.3 SEM figures of specimens

對(duì)回收樣品受沖擊作用的表面進(jìn)行電鏡掃描分析,結(jié)果如圖3 所示。由圖3(a)、(b)可以看出,沖擊速度為400 m/s 時(shí), Ti6Al4V 合金樣品表面整體來(lái)說(shuō)比較光滑,裂紋較少且比較整齊,出現(xiàn)大量氣孔;速度達(dá)到500 m/s 時(shí),樣品表面不平整,有明顯的剝落痕跡,出現(xiàn)大量細(xì)小的裂紋,并且裂紋由一中心點(diǎn)向不同的方向擴(kuò)展。由圖3(c)非對(duì)稱(chēng)碰撞實(shí)驗(yàn)樣品的表面形貌可知,由于飛片采用45 鋼,而45 鋼的沖擊阻抗遠(yuǎn)高于Ti6Al4V 合金,在飛片速度為600 m/s 的沖擊下樣品受到較大的沖擊影響。因此,在樣品表面除出現(xiàn)大量明顯裂紋外,還可以看到表面有明顯的滑移現(xiàn)象,這主要是受沖擊作用和靶與樣品之間的剪切摩擦作用形成的。而且在每一條較大的裂紋附近都有大量的微損傷區(qū),微損傷區(qū)主要由微裂紋與微空穴組成,其范圍也隨著沖擊速度的增大逐漸擴(kuò)大。微空穴生成的速率以及空穴體積的增長(zhǎng)都與拉應(yīng)力的幅度和作用時(shí)間成正比,空穴的繼續(xù)發(fā)展使空穴相互連通,形成微裂紋,微裂紋長(zhǎng)大最終形成大的裂紋。

根據(jù)最大切線應(yīng)力準(zhǔn)則,裂紋是以裂紋尖端為中心、以固定半徑沿最大切線應(yīng)力方向產(chǎn)生的。裂紋尖端的局部應(yīng)力可由球面坐標(biāo)(r,θ)表示,如圖4所示。圖中r 是裂紋尖端到材料切線應(yīng)力最大值處的距離,θ是裂紋尖端平面與切線應(yīng)力最大值處的角度,σn、σz是裂紋擴(kuò)展處各個(gè)方向的切應(yīng)力值,τnz是裂紋擴(kuò)展處的剪應(yīng)力值。切線應(yīng)力可以定義為

當(dāng)最大切線應(yīng)力達(dá)到斷裂應(yīng)力σf 時(shí),裂紋開(kāi)始長(zhǎng)大。即,當(dāng)σθ≥σf 時(shí),裂紋擴(kuò)展。因此,臨界狀態(tài)斷裂應(yīng)力也可以由以下公式表示

圖4 裂紋尖端處受力Fig.4 Stresses at the crack tip

沿樣品中心剖開(kāi),經(jīng)拋光處理后的顯微照片如圖5 所示,由圖中可以看出,樣品內(nèi)部裂紋的寬度隨沖擊速度的增大而變大。從微觀上分析,動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度和層裂強(qiáng)度的熱軟化效應(yīng)與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的物理機(jī)制密切相關(guān)。金屬材料的塑性變形機(jī)理是剪應(yīng)力驅(qū)動(dòng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),在動(dòng)態(tài)拉伸條件下導(dǎo)致材料發(fā)生層裂的微孔洞長(zhǎng)大過(guò)程也是由位錯(cuò)發(fā)射機(jī)制所控制。在Ti6Al4V 中,孔洞是由于沖擊應(yīng)力在材料內(nèi)部不同的顯微缺陷處產(chǎn)生的剪切強(qiáng)度不同產(chǎn)生的,例如α/β 交界面、α相的邊界、第2 相粒子或者由絕熱剪切高溫引起的熱軟化等位置。X.Teng 等[12]指出,這些“熱缺陷”可以是形變斷裂的起點(diǎn),并且空穴的成核和長(zhǎng)大受材料微觀缺陷的影響。金屬材料中一般都存在空位、缺陷以及晶界等許多位錯(cuò)障礙,根據(jù)位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)理論,隨著溫度的升高熱激活能將使得這些障礙勢(shì)壘降低,位錯(cuò)可以較容易地克服障礙勢(shì)壘發(fā)生滑移,同時(shí)驅(qū)動(dòng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所需要的應(yīng)力也將大大減小,從而導(dǎo)致屈服強(qiáng)度和層裂強(qiáng)度隨著溫度升高而減小。

3.3 物相成分分析

圖6 是Ti6Al4V 合金沖擊處理前、后樣品的X 射線分析圖譜。從圖中可以看到,沖擊前樣品中只有α-Ti、β-Ti 等2 種狀態(tài),而沖擊處理后樣品中有3 種不同的晶體結(jié)構(gòu):α-Ti、β-Ti 以及α′-Ti。由圖中4條曲線可以看出,對(duì)應(yīng)的衍射峰的強(qiáng)度均有增強(qiáng),說(shuō)明在對(duì)應(yīng)晶面中α-Ti、β-Ti 等2 種晶體結(jié)構(gòu)的結(jié)晶程度更好,晶面生長(zhǎng)更完整。而在沖擊處理后的樣品中晶面(102)還出現(xiàn)了α′-Ti 結(jié)構(gòu),這是在沖擊作用后溫度降低過(guò)程中形成的一種亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu),它的形成受冷卻速率的影響。圖中曲線可以分為2 組,即對(duì)稱(chēng)碰撞曲線b、c 和非對(duì)稱(chēng)碰撞曲線d。在對(duì)稱(chēng)碰撞中所有的對(duì)應(yīng)峰的強(qiáng)度均有所增強(qiáng),而在非對(duì)稱(chēng)碰撞中只有個(gè)別峰的強(qiáng)度大幅度增加,這與飛片的材料以及沖擊速度有關(guān)。在對(duì)稱(chēng)碰撞的2 組曲線中,以晶面(110)為例,由于受沖擊作用的影響,晶型長(zhǎng)大,晶格排列有序,使晶面長(zhǎng)大;而隨著沖擊作用的加大,剪應(yīng)力增大,剪切作用增強(qiáng),微區(qū)域內(nèi)無(wú)序度增大,衍射峰強(qiáng)度有所下降。

圖5 微裂紋放大圖Fig.5 Magnified map of the micro crack

由圖6 中XRD 圖譜可以看出,沖擊后部分衍射峰的寬度增加。造成寬度增加的直接原因:一是由于沖擊過(guò)程造成樣品強(qiáng)烈地塑性變形,二是在沖擊過(guò)程中飛片與靶樣品劇烈的摩擦作用。塑性變形產(chǎn)生的微應(yīng)力以及晶格點(diǎn)陣的扭曲變形導(dǎo)致了微小區(qū)域的無(wú)序從而使衍射峰變寬,從而使α-Ti、β-Ti 等2 種峰會(huì)有部分的交迭。進(jìn)一步定量分析可知,在沖擊作用下β-Ti 相的含量并沒(méi)有變化。

鈦合金中由于α和β 相間性能的差異,在相界變形協(xié)調(diào)時(shí)易于產(chǎn)生裂紋并使裂紋擴(kuò)展。α相的強(qiáng)度低于β 相的強(qiáng)度,故當(dāng)裂紋擴(kuò)展到β 相時(shí),β 相能阻擋裂紋的擴(kuò)展。當(dāng)裂紋的擴(kuò)展方向和α相滑移系的方向接近時(shí),在α相內(nèi)產(chǎn)生滑移帶;但裂紋擴(kuò)展的方向和α相滑移系的方向不接近時(shí),α相能使裂紋偏轉(zhuǎn),使裂紋沿相界面繞行。沖擊斷裂時(shí),裂紋在α集束和β 晶界發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn),在α/β 相界發(fā)生停滯和偏轉(zhuǎn),使裂紋擴(kuò)展路徑更曲折,因而,吸收的能量更多。另外,在冷卻過(guò)程中形成的α′相是一種韌性相,當(dāng)裂紋擴(kuò)展與之相遇時(shí),要產(chǎn)生塑性變形,消耗較多的能量,從而吸收變形功,松弛應(yīng)力集中,并使裂紋尖端的曲率半徑增大,裂紋尖端鈍化,而裂紋尖端鈍化時(shí)裂紋難以擴(kuò)展;另外,由于裂紋總是沿著消耗擴(kuò)展功最少的路徑和方式進(jìn)行,所以當(dāng)裂紋沿著需要消耗擴(kuò)展功最大的路徑進(jìn)行時(shí)將難以擴(kuò)展,迫使裂紋改變擴(kuò)展方向,從而在一定程度上提高沖擊韌度。

圖6 Ti6Al4V 合金的X 射線分析圖譜Fig.6 X-ray diffraction patterns of Ti6Al4V alloy

4 結(jié) 論

(1)不同的沖擊速度造成Ti6A l4V 合金不同程度的彎曲變形。以對(duì)稱(chēng)碰撞方式進(jìn)行沖擊,材料發(fā)生輕微損傷,而采用密度較大的飛片進(jìn)行非對(duì)稱(chēng)碰撞時(shí),由于受強(qiáng)剪切作用影響,材料以鋸齒形式發(fā)生形變并斷裂。

(2)材料裂紋的長(zhǎng)大受裂紋尖端處切線應(yīng)力的影響,當(dāng)σθ≥σf時(shí),裂紋擴(kuò)展、長(zhǎng)大,從而造成材料的斷裂。

(3)適度的沖擊作用使材料的晶格長(zhǎng)大,結(jié)晶程度更好;沖擊作用增大時(shí),會(huì)有削弱作用。在沖擊冷卻過(guò)程中,材料發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變,出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)的α′相,在一定程度上提高了沖擊韌性。

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