楊謀

（重慶電訊職業(yè)學(xué)院，重慶，402247）

TC21鈦合金絕熱剪切帶內(nèi)微觀組織與性能研究

楊謀

（重慶電訊職業(yè)學(xué)院，重慶，402247）

本文采用分離式霍普金森壓桿（Hopkinson Bar）裝置系統(tǒng)，對(duì)TC21鈦合金進(jìn)行室溫高應(yīng)變速率（700～2100s-1）動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)，通過(guò)光學(xué)顯微鏡、顯微硬度分析儀及掃描電鏡研究了TC21鈦合金絕熱剪切帶內(nèi)微觀組織與性能。結(jié)果表明：絕熱剪切帶寬度約為10μm，由過(guò)渡區(qū)域的變形組織和中間部位的細(xì)小等軸晶組成，剪切帶內(nèi)等軸晶粒表現(xiàn)為各向同性；剪切帶內(nèi)的顯微硬度值高于基體組織，是由應(yīng)變速率強(qiáng)化和應(yīng)變強(qiáng)化與熱軟化相互作用的結(jié)果。

TC21鈦合金；絕熱剪切帶；微觀組織；顯微硬度

隨著戰(zhàn)機(jī)、火箭、衛(wèi)星、輕武器等對(duì)輕量化、高可靠性的要求越來(lái)越高，輕質(zhì)、高強(qiáng)高韌、高損傷容限型結(jié)構(gòu)鈦合金成為新一代武器裝備的骨干材料之一，如美國(guó)第四代戰(zhàn)斗機(jī)F-22，使用了占結(jié)構(gòu)重量41%的鈦合金，其中最主要的兩種是損傷容限型的Ti-6A1-4V ELI和Ti-6-22-22S鈦合金[1-4]。TC21鈦合金是在Ti-6-22-22S鈦合金的基礎(chǔ)上，由我國(guó)自主研制的高強(qiáng)度、高模量、高損傷容限型α+β鈦合金。該合金室溫抗拉強(qiáng)度Rm≥1100MPa、伸長(zhǎng)率A≥8%、斷裂韌性KIC≥70MPa ，在△K=11MPa 時(shí)，裂紋擴(kuò)展速率達(dá)到10-5～10-6mm/N級(jí)，具有良好的綜合力學(xué)性能與焊接性能[5-7]。

據(jù)現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料分析，關(guān)于熱處理溫度與時(shí)間、冷卻速率、變形程度等對(duì)TC21鈦合金微觀組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的研究已多有報(bào)道，人們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)不同的熱處理工藝與成形條件，能夠加工出性能優(yōu)異的構(gòu)件[8-12]。而對(duì)于動(dòng)態(tài)沖擊載荷作用下，高應(yīng)變速率對(duì)TC21鈦合金絕熱剪切帶內(nèi)微觀組織與性能影響方面的研究還少見(jiàn)報(bào)道，還不清楚高應(yīng)變速率下，TC21鈦合金微觀組織與性能的變化?？紤]TC21鈦合金在導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部、戰(zhàn)機(jī)起落架等承力結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用，為此開(kāi)展動(dòng)態(tài)沖擊載荷作用下，鈦合金微觀組織與性能的變化研究十分必要，對(duì)拓展TC21鈦合金的應(yīng)用領(lǐng)域與成形工藝具有重要的意義。

本文采用分離式霍普金森壓桿（Hopkinson Bar）裝置系統(tǒng)，對(duì)熱處理后的TC21鈦合金帽形試樣進(jìn)行動(dòng)態(tài)強(qiáng)迫剪切試驗(yàn)，分析其絕熱剪切帶內(nèi)的微觀組織結(jié)構(gòu)與性能變化。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用材料為T(mén)C21鈦合金，采用真空自耗電弧爐多次熔煉制得3t重的大鑄錠，TC21鈦合金α+β→β相轉(zhuǎn)變溫度 為970±5℃，在2500t徑向鍛機(jī)上完成鑄錠的開(kāi)坯鍛造及（α+β）相區(qū)終鍛造，制得φ210mm規(guī)格的棒材，其化學(xué)成分如表1所示。對(duì)鍛造成形的棒材進(jìn)行退火熱處理，熱處理工藝為940℃保溫1h后空冷+580℃保溫4h后空冷，得到的顯微組織如圖1所示，主要由等軸α相、條狀的初生α相及β轉(zhuǎn)變組織組成。

表1 TC21鈦合金的化學(xué)成分

圖1 TC21鈦合金退火后的顯微組織

動(dòng)態(tài)沖擊剪切試驗(yàn)在φ12.7mm分離式Hopkinson壓桿系統(tǒng)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)原理及裝置參見(jiàn)文獻(xiàn)[13]，動(dòng)態(tài)沖擊剪切試樣如圖2所示，試驗(yàn)條件為：撞擊桿長(zhǎng)度為200mm，打擊氣壓為0.2MPa，平均應(yīng)變率分別為700s-1、1400s-1、2100s-1。將室溫動(dòng)態(tài)沖擊變形后的試樣沿軸線(xiàn)切開(kāi)，經(jīng)研磨、機(jī)械拋光、腐蝕后在OLYPUS PME3型光學(xué)顯微鏡下觀察試樣微觀形貌及特征。采用HMV-2型金相顯微硬度分析儀對(duì)絕熱剪切帶內(nèi)組織、基體組織進(jìn)行性能測(cè)試。采用掃描電子顯微鏡自帶的EBSD系統(tǒng)對(duì)絕熱剪切帶內(nèi)的晶體取向進(jìn)行分析。采用Tecanai G2 20透射電子顯微鏡分析絕熱剪切帶及其周?chē)慕M織結(jié)構(gòu)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 高應(yīng)變速率下的力學(xué)響應(yīng)

圖3所示的曲線(xiàn)表征了TC21合金材料從動(dòng)態(tài)加載開(kāi)始到產(chǎn)生絕熱剪切帶的承載時(shí)間，承載時(shí)間越長(zhǎng)，表明該材料對(duì)絕熱剪切越不敏感，反之則越敏感。從圖中的曲線(xiàn)可以得出，隨應(yīng)變速率的增加，應(yīng)力塌陷時(shí)間向左移動(dòng)，即在應(yīng)變速率700s-1下，TC21合金的承載時(shí)間約為80μs，當(dāng)應(yīng)變速率升高到2100s-1時(shí)，TC21合金的承載時(shí)間降到40μs，表明TC21合金材料的絕熱剪切敏感性隨應(yīng)變速率的升高而增加。

對(duì)圖中的曲線(xiàn)進(jìn)一步分析還可得出，試樣在剪切變形過(guò)程中大致經(jīng)歷了3個(gè)階段：第Ⅰ階段，流變應(yīng)力隨承載時(shí)間的增加而增加，主要是由于變形初期剪切區(qū)內(nèi)晶粒在壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力的共同作用下，沿著剪切方向晶粒組織產(chǎn)生拉長(zhǎng)變形；第Ⅱ階段，流變應(yīng)力隨著承載時(shí)間的增加基本不發(fā)生變化，主要是由于應(yīng)變、應(yīng)變速率增加導(dǎo)致的加工硬化效應(yīng)，絕熱溫升而引起的熱軟化效應(yīng)，兩者之間交互作用；第Ⅲ階段，熱軟化超過(guò)了應(yīng)變硬化和應(yīng)變率硬化的總和，發(fā)生了熱粘塑性失穩(wěn)，并形成了絕熱剪切帶，導(dǎo)致試樣的承載能力下降，最終發(fā)生剪切破壞失效。

圖4、圖5分別為T(mén)C21合金在應(yīng)變速率1400s-1、2100s-1下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。從圖中的曲線(xiàn)可以得出，在相同的試驗(yàn)條件下，同一組試驗(yàn)的重現(xiàn)性非常好（每組試樣共5件）。在應(yīng)變速率為1400s-1時(shí)，最終失效應(yīng)變?cè)?1～25%左右；當(dāng)應(yīng)變速率提高到2100s-1時(shí)，最終失效應(yīng)變?cè)?7～22%左右。隨著應(yīng)變速率的提高，TC21合金表現(xiàn)出穩(wěn)定的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)，導(dǎo)致失效應(yīng)變降低。

2.2 微觀組織結(jié)構(gòu)分析

圖6(a)所示為絕熱剪切帶微觀形貌的金相顯微照片。從圖中可見(jiàn)，絕熱剪切帶沿剪切方向（如圖6中箭頭所示）形成一條貫穿整個(gè)剪切區(qū)的“白亮帶”。圖6(b)所示為絕熱剪切帶的局部區(qū)域放大照片。從圖中可見(jiàn)，絕熱剪切帶的寬度約為10μm，是基體組織α晶粒尺寸的2～3倍；絕熱剪切帶兩側(cè)邊緣晶粒為拉長(zhǎng)變形的長(zhǎng)條狀結(jié)構(gòu)，與基體組織存在明顯的界面；絕熱剪切帶中部的晶粒組織十分細(xì)密，在光學(xué)顯微鏡下不能夠分辨出來(lái)。

2.3 性能分析

圖2 動(dòng)態(tài)剪切試樣

圖3 高應(yīng)變速率下TC21合金的應(yīng)力-時(shí)間曲線(xiàn)

圖4 TC21合金在應(yīng)變速率1400s-1下動(dòng)態(tài)剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

圖5 TC21合金在應(yīng)變速率2100s-1下動(dòng)態(tài)剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

圖6 絕熱剪切帶金相顯微組織

圖7 顯微硬度測(cè)試示意圖

圖8 顯微硬度曲線(xiàn)

圖7 所示為絕熱剪切帶組織與基體組織的顯微硬度測(cè)試點(diǎn)分布，圖8所示為顯微硬度值分布。在圖7中所示意的每個(gè)圓圈周?chē)鷾y(cè)試3次取平均值，代表該點(diǎn)的顯微硬度值。從圖8中可以得出，絕熱剪切帶內(nèi)的顯微硬度值高于基體約20HV0.025?；w本身具有很高的顯微硬度，絕熱剪切帶內(nèi)的顯微硬度僅在基體的基礎(chǔ)上稍有提高，這是由于在高應(yīng)變速率作用下，剪切帶內(nèi)應(yīng)變速率強(qiáng)化和應(yīng)變強(qiáng)化與熱軟化相互作用的結(jié)果，導(dǎo)致晶粒組織細(xì)化，從而提高其硬度值。

3 結(jié)論

（1）TC21鈦合金隨應(yīng)變速率的提高絕熱剪切敏感性增加，同時(shí)應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)增強(qiáng)，在金相顯微鏡下剪切區(qū)域呈一條白亮帶。

（2）TC21鈦合金絕熱剪切帶與基體過(guò)渡區(qū)域?yàn)槔L(zhǎng)變形組織，寬度約為0.5μm，具有較高的位錯(cuò)密度；絕熱剪切帶中部組織具有等軸、無(wú)畸變、晶粒內(nèi)部無(wú)位錯(cuò)或低密度位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)特征，等軸晶粒表現(xiàn)為各向同性。

（3）TC21鈦合金在高應(yīng)變速率作用下，應(yīng)變速率強(qiáng)化和應(yīng)變強(qiáng)化與熱軟化相互作用的結(jié)果，導(dǎo)致剪切帶內(nèi)晶粒組織細(xì)化，絕熱剪切帶內(nèi)的顯微硬度值比基體高20HV0.025左右。

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楊謀（1982-），女，重慶人，講師，主要研究方向?yàn)檩p合金材料及塑性成形技術(shù)。