楊紅斌，向文麗，徐 媛，孫 坤

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冷卻方式對TC21鈦合金絕熱剪切敏感性的影響

楊紅斌1, 2，向文麗2，徐 媛2，孫 坤2

(1. 云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，昆明 650500；2. 楚雄師范學(xué)院材料制備及力學(xué)行為研究所，楚雄 675000)

采用分離式Hopkinson Bar技術(shù)，對熱處理后經(jīng)3種冷卻方式的TC21鈦合金帽形試樣進行動態(tài)剪切試驗，結(jié)合宏觀力學(xué)響應(yīng)及微觀形貌分析，研究冷卻方式對TC21鈦合金絕熱剪切敏感性的影響。結(jié)果表明：熱處理后的冷卻方式對TC21鈦合金在高應(yīng)變率下的絕熱剪切敏感性有較大影響；在相同應(yīng)變率下，水冷試樣的絕熱剪切敏感性最高，爐冷試樣的其次，空冷試樣的最低；在4300 s?1應(yīng)變率下，水冷試樣開裂程度較為嚴(yán)重，裂紋不僅在剪切帶中延伸，還在基體中大幅度擴展，絕熱剪切帶最短、最窄；爐冷試樣中裂紋尖端較為尖銳，且沿剪切帶呈現(xiàn)了進一步擴展的趨勢；空冷試樣開裂程度較弱，裂紋沒有呈現(xiàn)出進一步擴展的跡象，剪切帶最長且最寬。

TC21鈦合金；冷卻方式；剪切敏感性；絕熱剪切帶；裂紋

鈦及鈦合金具有熔點高、密度小、比強度高、耐腐蝕等優(yōu)點，已經(jīng)成為航空航天領(lǐng)域重要的結(jié)構(gòu)材 料[1?2]。由于鈦合金的導(dǎo)熱性能較差，在高應(yīng)變率加載下極易發(fā)生絕熱剪切破壞[3?8]，因此鈦合金在高應(yīng)變率下的絕熱剪切失效行為一直是人們最為關(guān)注的問 題[9?15]。研究表明[16?19]，不同組織狀態(tài)的鈦合金，其絕熱剪切敏感性也不同。眾所周知，通過不同熱處理方法可改變合金的組織形貌，同時也改變了鈦合金的絕熱剪切敏感性。但迄今為止，對不同冷卻方式下所得鈦合金的絕熱剪切敏感性研究還鮮有報道。

本試驗中對TC21鈦合金進行熱處理，以不同方式冷卻，采用分離式Hopkinson Bar技術(shù)對所得材料試樣進行高應(yīng)變率剪切試驗，結(jié)合試驗材料宏觀力學(xué)響應(yīng)與微觀形貌分析，研究不同冷卻方式對TC21鈦合金絕熱剪切敏感性的影響。

1 實驗

1.1 試驗材料及其處理方法

試驗用TC21鈦合金是由西北有色金屬研究院提供的13.8 mm棒材，其初始組織由等軸初生相及轉(zhuǎn)變組織組成(見圖1)，化學(xué)成分如表1所示，其相變點為(960±5) ℃。本試驗中采用以下3種熱處理制度：A制度為(910 ℃，1 h，AC)+(570 ℃，4 h，AC)，B制度為(910 ℃，1 h，F(xiàn)C)+(570 ℃，4 h，AC)，C制度為(910 ℃，1 h，WQ)+(570 ℃，4 h，AC)。其中：AC為空冷，F(xiàn)C為爐冷，WQ為水冷。

圖1 試樣原始組織

1.2 試驗方法

將熱處理后的TC21鈦合金材料加工成如圖2所示的帽形試樣。動態(tài)剪切試驗采用14 mm分離式Hopkinson Bar加載裝置在室溫下進行，其試驗原理及試驗裝置參見文獻[20]。采用300 mm撞擊桿，打擊氣壓分別為0.09、0.1、0.11和0.12 MPa，相應(yīng)的名義應(yīng)變率約為2100、3500、4300和5100 s?1。

表1 TC21鈦合金的化學(xué)成分

圖2 動態(tài)剪切試樣及尺寸

2 結(jié)果與分析

2.1 熱處理后的顯微組織

TC21鈦合金經(jīng)3種熱處理后的顯微組織如圖3所示。其中圖3(a)所示組織采用空冷方式得到，與原始組織相比，組織中等軸晶粒變細小，且更分散，出現(xiàn)較多的細條狀次生相；圖3(b)所示為經(jīng)爐冷獲得的組織，由于冷卻過程較為緩慢，原始等軸晶粒球化長大，晶間轉(zhuǎn)變組織也明顯粗化，使得整個組織中相幾乎緊鄰，基本看不見基體；圖3(c)所示為水冷條件下所得組織，由等軸狀相晶粒和細小彌散分布的針狀馬氏體′混合組織組成，等軸相的含量相對較少，且較為細小。

圖3 不同熱處理后的TC21鈦合金顯微組織

2.2 試樣在高應(yīng)變率下的絕熱剪切敏感性分析

根據(jù)一維應(yīng)力波理論和分離式Hopkinson Bar裝置的加載原理，應(yīng)力波的加載時間為

式中：為撞擊桿長度，300 mm；0為彈性桿縱波波速，本試驗中用桿為18Ni鋼(0為4900 m/s)，由式(1)計算得脈沖寬度約為120 μs。當(dāng)透射脈沖寬度約為120 μs時，屬于正常卸載，試樣無剪切破壞；當(dāng)透射脈沖寬度小于120 μs，出現(xiàn)突然卸載現(xiàn)象，稱為“應(yīng)力塌陷”，說明試樣承載能力下降[21]。

圖4所示為3種TC21鈦合金試樣分別在應(yīng)變率為2100、3500、4300、5100 s?1時的動態(tài)剪切時間?應(yīng)力曲線。從圖4中可看出，在應(yīng)變率為2100 s?1下，3種試樣在應(yīng)力波加載時間(120 μs)內(nèi)均未出現(xiàn)應(yīng)力塌陷，說明3種試樣都沒有發(fā)生剪切破壞；當(dāng)應(yīng)變率提高到3500 s?1時，3種試樣均出現(xiàn)了應(yīng)力塌陷，將應(yīng)變率分別提高到4300 s?1及5100 s?1時，3種試樣也均出現(xiàn)了應(yīng)力塌陷。

動態(tài)剪切時間?應(yīng)力曲線表征了試樣從動態(tài)加載開始到發(fā)生絕熱剪切破壞的時間歷程及承載能力的變化，承載時間越長，表明材料對絕熱剪切越不敏感，反之則敏感。3種試樣在不同應(yīng)變率下發(fā)生應(yīng)力塌陷的時間列于表2。

圖4 不同方式冷卻試樣在相同應(yīng)變率下的動態(tài)剪切時間?應(yīng)力曲線

從表2看出，冷卻方式對TC21鈦合金在高應(yīng)變率下的承載能力影響顯著，在同一應(yīng)變率下，空冷的TC21鈦合金試樣的承載時間最長；其次為爐冷試樣，水冷試樣的承載時間最短。因此，3種冷卻方式下所得TC21鈦合金，絕熱剪切敏感性由低到高依次為空冷試樣、爐冷試樣和水冷試樣。

表2 3種試樣在不同應(yīng)變率下的承載時間

冷卻方式對TC21鈦合金絕熱剪切敏感性的影響，是由TC21鈦合金經(jīng)不同方式冷卻所得顯微組織存在的顯著差異所致。研究表明[22]，在兩相鈦合金中，等軸相具有較強的抗裂紋萌生能力，有利于鈦合金塑性和沖擊性能的提高。在本試驗中，TC21鈦合金在空冷和爐冷條件下，組織中含有大量的等軸狀相，彼此之間以及與基體之間取向任意，變形協(xié)調(diào)能力好，在高應(yīng)變率加載下，可通過自身的大變形來協(xié)調(diào)加載過程中的不均勻性，使其具有較好的抗沖擊性能。對于水冷條件下的TC21鈦合金而言，由于組織中彌散分布的針狀馬氏體相縱橫交錯，變形過程中位錯容易嚴(yán)重受阻塞積，變形協(xié)調(diào)能力較差，失效前的均勻動態(tài)塑性較小，最先發(fā)生剪切破壞，因而表現(xiàn)出相對較高的絕熱剪切敏感性。對于爐冷下的試樣，組織中相含量最多，尺寸最大，使其具有較低的強度和較高的塑性，在變形過程中容易發(fā)生較大的剪切變形，在一定程度上加劇了局域化變形的程度，因而其剪切敏感性比空冷下的試樣高。空冷后的組織中，含有一定量的等軸相和細針狀的次生相，使其在變形過程中保持了良好的塑性，同時保證了其不易發(fā)生較大的局域化變形，避免了嚴(yán)重的變形不均勻和應(yīng)力集中，因此具有較好的抗絕熱剪切失效能力。

2.3 絕熱剪切帶的微觀形貌分析

為了進一步分析材料在高應(yīng)變率下的絕熱剪切敏感性，將動態(tài)剪切試驗后的帽形試樣沿軸線切開，經(jīng)打磨、拋光、腐蝕后采用Quanta FEG250掃描電子顯微鏡對3種試樣中產(chǎn)生的絕熱剪切帶進行觀察分析。

圖5所示為3種試樣在應(yīng)變率為4300 s?1時產(chǎn)生的絕熱剪切帶整體形貌及裂紋尖端局部放大圖。圖5(a)所示空冷后的TC21鈦合金試樣中，剪切帶長度約為1.630 mm；圖5(c)所示為爐冷試樣中的剪切帶，約為1.446 mm，圖5(e)所示水冷試樣中的剪切帶最短，約為1.351 mm。圖5(b)、(d)、(f)所示分別是圖5(a)、(c)、(e)中紅框區(qū)域裂紋尖端的局部放大圖。由圖5(b)可看到，空冷試樣的剪切帶端口處開裂程度較弱，裂紋尖端較鈍，無進一步擴展跡象；而圖5(d)所示爐冷試樣中，裂紋尖端較為尖銳，有沿剪切帶進一步擴展的趨勢；圖5(f)所示水冷試樣中，開裂程度較為嚴(yán)重，裂紋不僅在剪切帶中延伸，還在基體中大幅度擴展。對比分析表明，正是因為裂紋沿剪切帶的擴展程度不同，才導(dǎo)致了不同冷卻方式下材料中剪切帶長度的差異。因此，在相同應(yīng)變率下，試樣中剪切帶越長，說明裂紋擴展緩慢，持久性更強，剪切帶越短，說明其裂紋擴展較為劇烈，最先發(fā)生剪切失效。

圖5 應(yīng)變率4300 s?1時3種TC21合金試樣中絕熱剪切帶整體形貌及裂紋尖端局部放大圖

圖6所示為3種試樣在4300 s?1應(yīng)變率下產(chǎn)生的絕熱剪切帶局部放大形貌。從圖6可觀察到，空冷試樣剪切帶中呈現(xiàn)出具有方向性的流線，且較為均勻，帶寬約為10 μm(見圖6(a))；爐冷試樣剪切帶中流線也表現(xiàn)出方向性，但不均勻，帶內(nèi)存在粗大晶粒的變形，帶寬為9 μm左右(見圖6(b))；水冷試剪切帶中沒有明顯的剪切變形流線，帶與基體未變形區(qū)邊界平整，帶寬也較為均勻，約為6 μm(見圖6(c))。孫坤等[23]的研究表明，在高應(yīng)變率下，鈦合金絕熱剪切帶的形成是一個萌生、擴展、完全發(fā)展的過程，剪切帶寬度由窄到寬，最終完全形成。本研究中3種試樣在經(jīng)歷相同應(yīng)變速率變形后，水冷試樣中的剪切帶最窄，說明其完成這一過程最快，使得試樣最先出現(xiàn)剪切破壞；空冷試樣中的最寬，說明剪切帶完成該過程較為緩慢，延遲了裂紋的出現(xiàn)；爐冷試樣中的剪切帶相對于空冷試樣稍窄，因此其中裂紋擴展稍多。從能量的角度來看，在同一應(yīng)變速率下，試樣獲得的能量相同，這一能量使得絕熱剪切帶不僅在縱向(剪切方向)也在橫向(寬度)發(fā)展。剪切帶窄，說明在橫向上吸收較少，局域化變形吸收的大部分能量提供在剪切帶縱向擴展，因此在端口處裂紋擴展較多。由此可見，空冷試樣的剪切帶在縱向上發(fā)展較為緩慢，其次為爐冷試樣，水冷試樣中發(fā)展最快，最先發(fā)生剪切破壞。

圖6 應(yīng)變率為4300 s?1下3種TC21合金試樣中絕熱剪切帶的局部形貌

綜上所述，在4300 s?1應(yīng)變率下，水冷試樣中的剪切帶最短、最窄，局域化變形吸收的大部分能量提供在剪切帶縱向擴展，使其裂紋擴展最嚴(yán)重；爐冷試樣中的剪切帶更長且更寬，但由于帶內(nèi)晶粒之間變形的不均勻，造成裂紋出現(xiàn)了一定的擴展；空冷試樣中的剪切帶最長、最寬，在橫向和縱向上能量的吸收相對更平衡，延遲了裂紋的出現(xiàn)，具有更好的抗絕熱剪切性能。由此表明，空冷試樣的絕熱剪切敏感性較低，其次為爐冷試樣，水冷試樣的絕熱剪切敏感性最高，這一結(jié)果與上一節(jié)所得結(jié)論相一致。

3 結(jié)論

1) 冷卻方式對TC21鈦合金絕熱剪切敏感性的影響明顯，在同一應(yīng)變率下，經(jīng)空冷、爐冷和水冷的TC21鈦合金的絕熱剪切敏感性由低到高依次為空冷試樣、爐冷試樣和水冷試樣。

2) 在4300 s?1應(yīng)變率下，經(jīng)水冷的TC21鈦合金試樣的絕熱剪切帶最短，開裂程度較為嚴(yán)重，裂紋不僅在沿剪切帶中延伸，還在基體中大幅度擴展；爐冷試樣中，裂紋尖端較為尖銳，且沿剪切帶呈現(xiàn)了進一步擴展的趨勢；空冷試樣中的剪切帶最長，端口處開裂程度較弱，裂紋尖端較鈍，無進一步擴展跡象。

3) 在4300 s?1應(yīng)變率下，水冷試樣中的剪切帶最窄，局域化變形吸收的大部分能量提供在剪切帶縱向擴展，使其裂紋擴展最嚴(yán)重；對于爐冷試樣中的剪切帶，在橫向上也吸收了較多的能量，擴展了其寬度；空冷試樣中的剪切帶最寬，較多的能量提供給橫向的擴展，在縱向上延遲了裂紋的出現(xiàn)，具有更好的抗絕熱剪切性能。

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(編輯 何學(xué)鋒)

Effect of cooling ways on adiabatic shear sensitivity of TC21 titanium alloy

YANG Hong-bin1, 2, XIANG Wen-li2, XU Yuan2, SUN Kun2

(1. School of Physics and Electronic Information, Yunnan Normal University, Kunming 650500, China;2. Research Institute on Preparation and Mechanical Behavior of Materials,Chuxiong Normal University, Chuxiong 675000, China)

Using the technology of split Hopkinson Bar，the dynamic shear test on the hat-shape samples of TC21 titanium alloy, which was cooled separately by three cooling ways after heat treatment, was done, and the effects of cooling ways on adiabatic shear sensitivity of TC21 titanium alloy were studied by combining the dynamic mechanical response with the microstructural analysis of samples. The results show that the cooling ways of the alloy after heat treatment has great influence on the adiabatic shearing sensitivity of the TC21 titanium alloy. Under the same condition of strain rate, the subsequence of the adiabatic shearing sensitivity is water quenching samples, furnace cooling samples and air-cooling samples in turn according to sort in descending. At the strain rate of 4300 s?1, the sample by water quenching has the shortest and the most narrow adiabatic shear band. And its degree of cracking is the most severe among three kinds of samples. The crack expands not only along the shear band, but also in the matrix. The crack tip is sharper in the sample by furnace cooling, and takes on the expanding tendency along the shear band. The sample by air-cooling has the longest and the widest adiabatic shear band. Its degree of cracking is weak.

TC21 titanium alloy; cooling way; shear sensitivity; adiabatic shear band; crack

Project(51561002) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (2011FZ185) supported by the Applied Basic Research of Yunnan, China

2015-12-15; Accepted date: 2016-08-10

SUN Kun; Tel: +86-13638702095; E-mail: sunkun@cxtc.edu.cn

10.19476/j.ysxb.1004.0609.2017.05.006

1004-0609(2017)-05-0920-07

TG146.2

A

國家自然科學(xué)基金資助項目(51561002)；云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃資助項目(2011FZ185)

2015-12-15；

2016-08-10

孫 坤，教授，博士；電話：13638702095；E-mail：sunkun@cxtc.edu.cn