简介概要

TB10钛合金的动态力学性能及绝热剪切分析

来源期刊：稀有金属2008年第6期

论文作者：张翥惠松骁叶文君王希哲于洋尤振平

关键词：近β型TB10钛合金; 高应变率; 绝热剪切; 显微组织;

摘要：利用分离式的H0pkinson压杆,得到了不同组织状态的近β型TB10钛合金在高应变率下的动态压缩应力.应变曲线,结果表明:TB10钛合金的三种组织状态都表现出应变率敏感性.通过光学显微镜分析其显微组织的变化规律,结果表明:两相区固溶+时效、两相区固溶+双重时效的试样中均可观察到明显的绝热剪切带,且沿剪切带出现裂纹;单一固溶态试样金相观察表明晶粒的变形是均匀的.没有观察到绝热剪切带.在单一固溶态试样中出现了应力诱发马氏体相.

稀有金属 2008,32(06),799-802 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2008.06.018

TB10钛合金的动态力学性能及绝热剪切分析

叶文君惠松骁于洋王希哲张翥

北京有色金属研究总院有色金属材料制备加工国家重点实验室

摘要：

利用分离式的Hopkinson压杆, 得到了不同组织状态的近β型TB10钛合金在高应变率下的动态压缩应力-应变曲线, 结果表明:TB10钛合金的三种组织状态都表现出应变率敏感性。通过光学显微镜分析其显微组织的变化规律, 结果表明:两相区固溶+时效、两相区固溶+双重时效的试样中均可观察到明显的绝热剪切带, 且沿剪切带出现裂纹;单一固溶态试样金相观察表明晶粒的变形是均匀的, 没有观察到绝热剪切带。在单一固溶态试样中出现了应力诱发马氏体相。

关键词：

近β型TB10钛合金;高应变率;绝热剪切;显微组织;

中图分类号： TG146.23

作者简介：叶文君 (E-mail:zhongdian311@grinm.com) ;

收稿日期：2007-09-10

Study on Dynamic Mechanical Properties and Adiabatic Shearing of TB10 Titanium Alloy

Abstract：

The curves of dynamic compressive stress-strain for different heat treated TB10 titanium alloy were obtained by Hopkinson bar tests. The results indicated that the TB10 titanium alloy in all three structure states was sensitivity to strain rate. The specimens after Hopkinson bar test were investigated by using optical microscope. The adiabatic shear bands were found in the samples treated by solution treatment in two phase field and aging (STA) and cracks presented in the samples and along the shear bands, but were not found in the solution treated (ST) only, in which the stress induced martensite was found.

Keyword：

near-β TB10 titanium alloy; high strain rate; adiabatic shearing; microstructure;

Received： 2007-09-10

钛合金具有密度小、比强度高、耐蚀性能好及低温变形性能好等诸多优点, 因而广泛应用于航空航天、船舶、机械加工及兵器工业等领域, 在应用中常会承受高速冲击载荷 ^[1,2,3,4,5] 。材料在涉及冲击载荷的高速变形中经常出现绝热剪切 (adiabatic shearing) 现象。绝热剪切有两个最基本特征: 一是在显微观察上总是以形成剪切变形高度局域化的、宽约10～10² μm量级的绝热剪切带 (adiabatic shear band, 简称ASB) 为主要特征; 二是从热力学角度来说, 冲击载荷作用下的材料的高速变形接近于绝热过程, 变形过程中的塑性功所转化的热量将引起绝热升温, 导致热塑性失稳, 从而引起剪切带的形成和发展。 ASB的出现和发展常常意味着材料承载能力的下降或丧失, 是材料出现断裂的先兆 ^[6,7] 。

钛合金的性能主要取决于其相的组成、形态、分布以及位错、织构等微结构特征。不同组织状态的钛合金的性能有着很大差异 ^[8] 。因此利用分离式的Hopkinson压杆 (简称SHPB) 对不同组织状态的近β型TB10钛合金进行研究, 分析高应变率条件下不同的显微组织状态与形成绝热剪切带的关系。

1 实验

1.1 材料

选用的试样材料为近β型钛合金TB10 (Ti-5Mo-5V-2Cr-3Al) , 淬火金相法测得该材料的相变点 (T_β) 为825 ℃。试样的组织状态按固溶态 (单一β相) 、两相区固溶+时效 (α+β相) 、两相区固溶+双重时效 (α+β相) 3种状态制备。

1.2 方法

将不同组织状态的TB10钛合金制备成圆柱体试样, 在Hopkinson压杆上进行高速动态压缩实验。实验后, 试样沿直径方向切开制备金相试样, 进行显微观察分析。

2 结果和分析

2.1 力学性能分析

对TB10钛合金试样进行了3个应变率的冲击压缩试验, 应变率范围为700～4000 s^-1, 图1为不同组织状态、不同应变率的压缩工程应力-应变曲线。从图1的试验结果可以看出压缩σ-ε曲线大致可分为弹性阶段和塑性阶段, 而没有出现明显的屈服平台; 动态屈服应力在800～1200 MPa, 最大流动应力在1400～1600 MPa, 分别比准静态相应值高。说明TB10钛合金的3种组织状态都属于应变率敏感材料。

2.2 金相分析结果及绝热剪切现象

为了分析高应变率条件下不同的显微组织状态与形成绝热剪切带的关系, 分别对未加载试件和冲击压缩加载试件沿直径方向切开, 进行金相分析实验。

图2为单一固溶状态的TB10钛合金在不同应变率下的显微组织变化情况, 从图中观察到晶粒的变形是均匀的, 没有看到绝热剪切带。 X射线衍射分析 (图3) 发现在高速冲击过程试样中的体心立方相 (β相) 的峰值降低, 有应力诱发马氏体相 (α″) 出现。这一现象是由于钛合金中的β相是不稳定的组织状态, 在冲击变形过程中容易发生应力诱发相变, 并在相变过程中吸收一部分能量, 使其未能达到材料本构失稳形成ASB的临界条件, 晶粒的变形仍是均匀的。

图1 TB10钛合金不同状态、不同应变率的压缩工程应力-应变曲线

Fig.1 Compressive en. stress-strain curves of different heat-treated TB10 titanium alloy at high strain rate

图2 不同应变率下TB10钛合金 (固溶态) 的显微组织

Fig.2 Microstructure of TB10 titanium in the solution condition at different strain rate (a) Without load; (b) Strain rate: 1500 s^-1; (c) Strain rate: 4000 s^-1

由图4, 5可知, 两相区固溶+时效 (α+β相) 和两相区固溶+双重时效 (α+β相) 组织状态的TB10钛合金, 在Hopkinson压杆上打击后, 在试样近端部横剖面上出现了一圈环状细带, 在纵剖面上则出现一条以试样轴线为对称的V形细带 (图中给出的是对称的右半部分) 。这表明细带是一呈圆锥形分布的绝热剪切带, 和其他研究者在高速冲击时观察到的绝热剪切带类似 ^[9,10] , 并沿剪切带出现裂纹。这是由于钛合金的滑移系少、热导率低, 在高速变形过程中, 对剪切应变很敏感, 通常以绝热剪切带的形成和发展为其变形和破坏的主导机制。在冲击载荷下, 材料的动态破坏也经历缺陷的形核和长大到材料被破坏或局部破坏的过程。高速冲击过程是绝热过程, 变形过程中的塑性功所转化的热量将引起绝热升温, 导致热塑性失稳, 从而在材料内出现一狭窄亮带——绝热剪切带。

图3 不同应变率下TB10钛合金 (固溶态) 的X射线衍射谱

Fig.3 XRD patterns of TB10 titanium alloy in the solution-treated condition at different strain rate

图4 应变率4000 s-1下TB10钛合金 (两相区固溶+时效) 的显微组织Fig.4 Microstructure of TB10 titanium alloy in the solution and aging treated condition at 4000 s-1

Fig.4 Microstructure of TB10 titanium alloy in the solution and aging treated condition at 4000 s^-1 (a) Longitudinal section; (b) Longitudinal section; (c) Cross-section; (d) Cross-section

(a) Longitudinal section; (b) Longitudinal section; (c) Cross-section; (d) Cross-section

图5 应变率4000 s-1下TB10钛合金 (两相区固溶+双重时效) 的显微组织Fig.5 Microstructure of TB10 titanium alloy in the solution and double aging treated condition at 4000 s-1

Fig.5 Microstructure of TB10 titanium alloy in the solution and double aging treated condition at 4000 s^-1 (a) Longitudinal section; (b) Longitudinal section; (c) Cross-section; (d) Cross-section

(a) Longitudinal section; (b) Longitudinal section; (c) Cross-section; (d) Cross-section

3 结论

1. 利用Hopkinson压杆装置研究了近β型钛合金TB10材料的动态力学性能, 得出在本实验的应变率下, TB10钛合金的3种组织状态都表现出应变率敏感性。

2. 通过光学显微镜对试样微观结构进行分析, 发现不同的显微组织状态对TB10钛合金的绝热剪切敏感性影响很大, 两相区固溶+时效、两相区固溶+双重时效的试样中均可观察到明显的绝热剪切带, 且沿剪切带出现裂纹。而单一固溶态试样金相观察表明晶粒的变形是均匀的, 没有观察到绝热剪切带, 相对于前两者是绝热剪切不敏感的材料。

3. 在单一固溶态试样中出现了应力诱发马氏体相。