Ti–6Al–4V合金中绝热剪切带之间相互作用规律及其对抗多次打击性能的影响

1、Ti 6Al 4V 合金中绝热剪切带之间相互作用规律及其对抗多次打击性能的影响钛合金具有低密度、高比强度、较好的塑、韧性及耐腐蚀性等优点，是一种优良的轻型防护装甲材料。 在装甲服役环境中， 钛合金材料通常需承受弹丸或破片等的高速撞击作用。 由于钛合金强度较高且热导率较低，在此类高速碰撞等高应变率加载条件下容易形成绝热剪切带（Adiabatic shear band，ASB）。裂纹易于在 ASB中形核、扩展及连接等，并最终导致材料的绝热剪切失效，这极大地限制了钛合金在高应变率加载条件下的应用。鉴于此，本研究以三种分别具有等轴组织、 淬火时效组织和层片组织的Ti 6Al 4V合金为研究对象， 通过

2、弹靶作用实验、 静动态加载实验， 利用光学金相显微镜 （ OpticalMicroscopy,OM）、扫描电子显微镜（ Scanning Electron Microscopy, SEM）、透射电子显微镜（ TransmissionElectronMicroscopy,TEM）等系统地研究了弹靶作用条件下三种组织 Ti 6Al 4V合金内 ASB的形成、分布，带内微观组织演化及ASB分叉、交截等相互作用规律及其对于合金抗弹性能的影响规律，主要研究成果如下： 平头弹冲击作用下，三种组织 Ti 6Al 4V合金靶板承受撞击面均产生直径约10mm，深度约 1mm的弹坑。并且，随冲击速率增加， 相同厚

3、度靶板内的弹坑深度及直径均增加，子弹发生镦粗、部分破碎甚至完全破碎。靶板内形成多条近似平行的ASB并伴随有 ASB分叉、交截、阻隔等多种复杂的相互作用， 并有微孔洞、 微裂纹在 ASB内萌生及扩展。 多条 ASB的形成及分布规律是由靶板内最大剪切应力的分布决定的。靶板内最长 ASB的长度随子弹冲击速率增加而先增加后减小。在冲击速率相近时， 层片组织靶板内最长ASB的长度最大，淬火时效组织次之，等轴组织内的最小。 ASB的微观组织由等轴晶粒和条状晶粒组成，是由于原始晶粒在剪切应力的作用下发生拉长、 碎化、旋转及再结晶等过程而形成。 其中，等轴晶粒是原始晶粒发生完整的动态再结晶过程而形成；条状亚晶

4、是原始晶粒仅发生拉长、碎化、旋转而未完全的动态再结晶过程或直接由原始晶粒发生剪切变形而形成。ASB分叉是由于 ASB形成过程中部分未完全动态再结晶亚晶粒与其周围的等轴再结晶晶粒之间的变形不协调达到一定程度所导致的。等轴组织合金中ASB分叉数量较少， 而淬火时效组织及层片组织合金中ASB分叉数量较多； 淬火时效组织合金中 ASB分叉多分布于不同的ASB中，而层片组织合金中单条ASB可能会发生多次分叉； 并且，在层片组织合金中， 不同晶粒束集内层片晶粒排列方向也不同，导致在不同晶粒束集相遇时更易产生较大的变形不协调，即 ASB易于在晶粒束集边界处分叉。 ASB交截过程中，先扩展至交截处的ASB内的

5、拉长亚晶再次剪切变形并分布于后扩展至交截处的ASB中的交截部分。ASB交截会阻碍后扩展至交截处ASB的扩展。当此阻碍作用大于ASB扩展能力时，即会发生 ASB阻隔。淬火时效组织和层片组织合金对于亚晶粒再次剪切变形的阻碍能力大于等轴组织合金。ASB对于靶板材料抗多次打击性能的影响可以分为两个方面。一方面，由于裂纹易于在 ASB内形核并扩展， ASB可能会造成材料承载能力下降，另一方面，第一发弹所形成的ASB可能对第二发弹形成的ASB有阻碍其扩展的作用， 从而使其抗第二发打击能力增强。 双发弹部分重叠实验中， 重叠部分 ASB数量增多且有明显弯折现象。其中部分 ASB明显长于单发弹作用后的ASB，

6、是由于第二发弹作用使其发生了进一步扩展。 但 ASB弯折、相互作用等会吸收更多能量，有利于靶板材料的抗多次打击性能。双发弹完全重叠实验中，ASB 内易于产生较长裂纹并造成背面崩落，因此， ASB不利于此状态下的抗多次打击性能。三种组织 Ti-6Al-4V合金受影响区材料的静、 动态力学性能相对于原始材料呈现出不同的变化规律， 这是由于材料内部位错密度及位错形态的变化以及不同组织合金各自的微观形貌决定的。并且，由于这种变化， 使得在双发弹部分重叠实验中，第二发弹作用会使得第一发弹坑深度略微增加，背面凸起程度也略有增加，但并不会造成开裂或冲塞。 通过三种组织 Ti-6Al-4V合金 ASB内的损伤演化分析可知，受影响区材料与原始材料相比，等轴组织和淬火时效组织合金