Ti-6321钛合金力学性能和抗弹性能

黄竣皓， 王琳,2,3， 刘小品， 徐雪峰， 刘安晋， Tayyeb Ali， 周哲，宁子轩， 杨佳彬， 张斌斌, 程兴旺,2,3

(1.北京理工大学 材料学院， 北京 100081; 2.北京理工大学 冲击环境材料技术国家级重点实验室， 北京 100081;3.北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室， 北京 100081；4.四川长虹电子控股集团有限公司， 四川 绵阳 621000；5.洛阳船舶材料研究所， 河南 洛阳 471023)

0 引言

钛合金作为一种新型结构材料，具有低密度、高比强度的特点，其优异的疲劳强度、抗裂纹扩展能力、良好的低温韧性和抗腐蚀性得到军事、航天、船舶等领域的广泛关注[1-6]。尤其是在军事领域，钛合金的最大优势在于高的比强度，其比强度与装甲钢相比，可达到2倍以上，在给装甲车提供好的防护性能的同时，能够减轻车辆的重量，达到灵活性与轻量性的目标[3-5]。

对于不同微观组织的钛合金在高应变率下的动态力学响应，陈洋等[7]研究了双态组织的钛合金在高应变率条件下的动态力学行为，结果表明钛合金组织中出现了明显的绝热剪切现象，等轴晶粒对绝热剪切的发生有抵抗作用。刘新芹等[8]利用分离式Hopkinson压杆(SHPB)研究了双态组织和片状组织的TC4钛合金在高应变率下的动态力学性能，试验结果表明在单向压缩和压缩剪切复合应力状态下，钛合金组织中均出现了绝热剪切现象。赵登辉等[9]、杜文文等[10]采用SHPB和Taylor杆研究了Ti-5553钛合金的动态力学性能，并对其动态特性进行了模拟分析。

国内外对于钛合金的抗弹性能也进行了大量的研究。Me-Bar等[11]研究了钛合金板抗弹与动态力学行为的相关性，发现钛合金靶板的破坏是由于在弹体侵彻过程中组织内产生了微孔洞，微孔洞生长聚集、产生裂纹导致靶板失效。杨凯文等[12]研究了TC21钛合金抗弹性能与动态力学行为，结果表明双态组织与片层组织的TC21钛合金相比，动态压缩强度更高。高瑞华等[13]研究了钛合金抗弹性能与动态压缩性能的关系，研究结果表明钛合金的抗弹性能与动态强度以及动态塑性有很大的联系，动态强度越高，则抗弹性能越好。余东辉等[14]研究了铸造钛合金的抗弹性能与动态性能的关系，结果表明动态压缩强度以及静态强度与钛合金的抗弹性能成正相关性。

Ti-6321(Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo)合金是我国自主研制的一种近α型钛合金，具备良好的耐腐蚀性能、长的使用寿命，能够承受重载荷，具有优秀的综合力学性能。目前对于Ti-6321钛合金的研究集中在热处理工艺、组织及力学性能[15-16]，对其抗弹性能和动态力学响应的研究却鲜有报道，对于Ti-6321钛合金在动态载荷作用下，宏观损伤和微观损伤的特征及机理认识更少。本文开展Ti-6321钛合金在动态压缩载荷作用下力学响应行为以及抗弹性能的研究，将为Ti-6321钛合金在装甲防护等领域的应用提供试验支撑。

1 试验材料及试验方法

样品原材料为厚度为26 mm的轧制Ti-6321钛合金板材。Ti-6321钛合金靶板样品分组以及具体的热处理工艺如表1所示，即分别在800 ℃、980 ℃和1 030 ℃温度下保温1 h，然后在空气中冷却(AC)至室温，从而获得不同组织的Ti-6321钛合金。利用德国Zeiss公司产Axiovert-2000MAT型光学显微镜对热处理后的钛合金样品进行金相分析。

表1 热处理工艺

图1 SHPB装置示意图Fig.1 Schematic diagram of SHPB system

Ti-6321钛合金在室温条件下的静态压缩试验采用美国Instron公司产 5985型电子万能材料试验机进行，沿板材的厚度方向切取静态压缩试样，试样尺寸为φ5 mm×8 mm，实验温度为23 ℃，条件为应变率10-3s-1. 室温动态压缩力学性能测试采用SHPB，沿板厚方向切取动态压缩试样，试样尺寸为φ4 mm×4 mm，加载应变率约为2 500 s-1，设备示意图如图1所示，试验原理如参考文献[8-10]介绍。

钛合金的抗弹性能测试在中国兵器工业第208研究所的终点弹道实验室进行， Ti-6321钛合金靶板尺寸为200 mm×200 mm×26 mm，试验用枪为53式7.62 mm弹道枪，发射7.62 mm口径穿甲弹，试验距离为10 m，穿甲弹速度为800 m/s，垂直侵彻，试验装置如图2所示。每种靶板进行2次弹道试验，通过弹道试验获得钛合金靶板相应的极限穿甲深度(简称穿深)、面板弹坑直径等数据，并进一步研究动态力学性能和抗弹性能的关联性。利用日本Hitachi公司产S-4800冷场发射扫描电镜 和德国Zeiss公司产Axiovert-2000MAT型光学显微镜进行靶板弹坑周围微观组织的观察和分析，获得不同组织的钛合金靶板的微结构形貌特征，包括绝热剪切带(ASB)，分析其损伤机理。

图2 靶试试验装置示意图Fig.2 Schematic diagram of terminal ballistic test system

2 试验结果与分析

2.1 试样的金相分析

通过不同热处理工艺得到的Ti-6321钛合金显微组织如图3所示。从图3中可以看出：等轴组织具有规则形状的等轴α相以及周围少量的片层α/β相；双态组织具有一定含量的等轴α相以及β相，转变的β组织中又存在片状的α组织；魏氏组织则是束丛状的α相和β相。

图3 Ti-6321钛合金的显微组织Fig.3 Microstructures of Ti-6321

2.2 Ti-6321钛合金准静态和动态力学性能

对等轴组织、双态组织和魏氏组织的Ti-6321钛合金进行室温下静态和动态压缩试验，得到的力学性能数据如表2和图4所示。在准静态压缩试验中，3种不同组织的Ti-6321钛合金抗压强度相近：双态组织的Ti-6321钛合金屈服强度最高，为877 MPa；等轴组织的Ti-6321钛合金的屈服强度略小于双态组织；魏氏组织的屈服强度为811 MPa，明显低于等轴组织和双态组织材料。

表2 Ti-6321钛合金的静动态压缩力学性能

图4 Ti-6321钛合金的动态压缩真实应力- 真实应变(应变率2 500 s-1)Fig.4 Dynamic true stress-strain curves of Ti-6321 alloy(Strain rate of 2 500 s-1)

在应变率2 500 s-1动态压缩试验中：等轴组织的Ti-6321钛合金具有最高的动态流变应力以及冲击吸收功，分别为1 400 MPa以及267 MJ/m3；魏氏组织Ti-6321钛合金的动态流变应力以及冲击吸收功明显小于等轴组织和双态组织，说明魏氏组织在动态压缩条件下的动态强度最低。3种组织Ti-6321钛合金的动态塑性应变差异不明显。动态压缩力学性能与准静态压缩力学性能相比较，Ti-6321钛合金具有明显的应变率强化效应。等轴组织屈服强度从准静态的865 MPa，提高到相应动态流变应力的1 400 MPa，提高幅度为62%.

图5 Ti-6321钛合金动态压缩试样的ASBFig.5 Adiabatic shear bands of Ti-6321 alloy

对回收试样剖面的组织进行金相观察，如图5所示，在应变率2 500 s-1的动态压缩条件下，3种组织Ti-6321钛合金试样均发生了绝热剪切失效，出现了ASB. 绝热剪切失效经常出现在导热性差、应变强化效率低的材料中，在高应变率的塑性变形下，材料某一区域的热软化效应大于应变硬化效应，而使得材料在最大切应力方向出现ASB和微裂纹、微孔洞，进而导致材料失效[17-19]。由图5可得：等轴组织的ASB较为笔直，剪切带周围组织的变形程度较大；魏氏组织的ASB数量最多，存在分叉汇合现象，微裂纹较多且沿ASB扩展；双态组织的ASB数量和组织形变程度介于等轴组织和魏氏组织之间，也存在剪切带的分叉现象。所以在动态压缩的应力条件下，等轴组织的Ti-6321钛合金抵抗绝热剪切失效的能力较好，魏氏组织的Ti-6321钛合金较易发生绝热剪切失效。

2.3 Ti-6321钛合金的抗弹性能

抗弹试验获得性能如表3所示。可知 Ti-6321钛合金靶板均未被击穿，靶板背部也未出现背凸等现象，可类比为半无限靶板，因此通过测量7.62 mm穿甲弹垂直侵彻后未击穿靶板的绝对穿深，来表征Ti-6321钛合金的抗弹性能[11-14]。被击穿金属靶板被穿甲弹侵彻的过程包括开坑阶段、侵彻阶段以及击穿阶段[11]，进一步进行面板坑口以及纵剖面宏观损伤分析，测量面板的弹坑直径，来比较不同组织靶板在开坑阶段的抗损伤性能。3种热处理制度得到的Ti-6321钛合金靶板的面板损伤及纵剖面损伤如表4所示。

表3 Ti-6321钛合金的抗弹性能

由表3中数据可知，不同典型组织的Ti-6321钛合金靶板的绝对穿深在18～20 mm之间，其中等轴组织钛合金靶板的绝对穿深略小于双态组织和魏氏组织，双态组织靶板的绝对穿深略小于魏氏组织，所以具有等轴组织Ti-6321钛合金的抗弹性能较好。双态组织Ti-6321钛合金靶板的弹坑平均直径和最大直径则最小，面板抵抗开坑破坏的性能最为优异；魏氏组织的靶板弹坑直径最大，等轴组织的靶板开坑深度最大，所以等轴组织和魏氏组织的Ti-6321钛合金靶板面板抵抗开坑破坏的性能低于双态组织钛合金。

表4 不同组织的Ti-6321钛合金靶板宏观损伤

2.4 Ti-6321钛合金的微观损伤分析

对钛合金靶板的弹孔周围组织进行金相分析，如图6所示。由图6可以看出， Ti-6321钛合金靶板在受到子弹冲击后，弹孔周围的组织发生了大的剪切变形，出现了大量的ASB. 进一步对图6中不同组织靶板的a、b、c等区域进行金相观察。

图6 Ti-6321钛合金靶板弹孔局部组织Fig.6 Local microstructures of Ti-6321 titanium targets

等轴组织Ti-6321钛合金靶板的弹孔局部组织如图7所示。分析弹坑周围组织发现：等轴组织的ASB数量以及扩展面积最小，延伸路径为直线型，分叉汇合现象较少；在ASB中出现微孔洞与微裂纹，周围组织没有出现，说明材料最先在ASB上产生微孔洞，微孔洞聚集生长扩展为微裂纹，微裂纹沿着ASB扩展，进而产生宏观裂纹导致材料失效；弹坑边缘较为光滑，组织的变形程度最大，说明等轴组织钛合金在冲击过程中吸收了很多的能量，从而抑制了ASB的生成，使得等轴组织钛合金具有最少的ASB数量，抗弹性能相对较好。

图7 等轴组织的Ti-6321钛合金局部ASBFig.7 ASBs of Ti-6321 with equiaxed structure

双态组织的Ti-6321钛合金靶板弹孔局部组织如图8所示。与等轴组织相比，双态组织弹坑边缘较为不平整，在一侧边缘凸起部分存在被弹体破坏的裂纹，并且伴随着多条ASB的出现；双态组织钛合金的剪切带的数量和长度介于等轴组织和魏氏组织之间，也出现了剪切带较多的分叉和汇合现象；剪切带周围的双态组织也出现了明显的变形，晶粒沿切应力方向被拉长，变形程度小于等轴组织靶板的弹坑边缘组织。

图8 双态组织的Ti-6321钛合金局部ASBFig.8 ASBs of Ti-6321 with bimodal structure

魏氏组织的Ti-6321钛合金靶板弹孔局部组织如图9所示。由图9可以看出：魏氏组织出现的ASB的数量和延伸长度明显大于等轴组织和双态组织，颜色呈与基体组织明显区别的白亮色；而且ASB形貌与等轴组织相比，呈不规则的曲线形，表现出多条ASB交叉汇合的网络状，分叉使得ASB路径增加；弹坑边缘的凸起与裂纹最多，弹坑周围组织的变形程度最小，说明魏氏组织钛合金塑性变形能力差且极易出现剪切变形失效，所以相比等轴组织与双态组织，其抗弹性能最差。

图9 魏氏组织的Ti-6321钛合金局部ASBFig.9 ASBs of Ti-6321 with Widmannastatten microstructure

2.5 静动态力学性能对Ti-6321钛合金抗弹性能的影响

不同组织的Ti-6321钛合金静态压缩性能及抗弹性能相关性如图10所示。从图10可知，双态组织具有最高的准静态压缩屈服强度和抗压强度，而魏氏组织具有最低的屈服强度和抗压强度，不同组织的Ti-6321钛合金的准静态压缩屈服强度以及抗压强度与其抗弹性能没有明显的正相关关系，所以准静态压缩力学性能不能很好地反映钛合金的抗弹性能。

图10 Ti-6321钛合金准静态压缩屈服强度、抗压强度与靶板的绝对穿深相关性Fig.10 Correlation between quasi-static compressive mechanical properties and ballistic performance of Ti-6321 alloy

钛合金靶板的弹体侵彻过程，与动态压缩载荷作用过程类似，受到高应变率冲击载荷的作用，材料的动态响应过程具有一定的相似性。图11为Ti-6321钛合金动态压缩力学性能与抗弹性能的相关性。由图11可得：等轴组织钛合金具有最佳的抗弹性能，绝对穿深最小，其具有最高的动态流变应力和冲击吸收功，魏氏组织钛合金的绝对穿深最高，抗弹性能相对最差，其动态流变应力和冲击吸收功也最小；3种组织钛合金的动态塑性应变没有明显差距，与绝对穿深没有明显的相关性。因此，在动态压缩力学性能中，动态流变应力与冲击吸收功在一定程度上能够反映靶板的抗弹性能，材料的动态流变应力与冲击吸收能量越高，抗弹性能更优异。

图11 Ti-6321钛合金的在动态压缩载荷作用下动态流变应力、冲击吸收功、动态塑性与靶板的绝对穿深相关性Fig.11 Correlation among dynamic flow stress, impact absorbing energy, dynamic plasticity with ballistic performance of Ti-6321 alloy

3 结论

本文对不同组织的Ti-6321钛合金准静态压缩力学性能、动态压缩力学性能及抗弹性能进行研究，得到结论如下:

1)在准静态压缩载荷作用下，双态组织Ti-6321钛合金具有最高的屈服强度，魏氏组织的强度最低。在2 500 s-1应变率的动态压缩载荷作用下，等轴组织钛合金具有最高的动态流变应力和冲击吸收功，魏氏组织钛合金动态流变应力和冲击吸收功最低。Ti-6321钛合金具有显著的应变率强化效应。

2)在Ti-6321钛合金靶板的抗弹性能测试中，等轴组织钛合金靶板表现出了最佳的抗弹性能，绝对穿深最小。

3)微观损伤研究表明，不同组织钛合金靶板均出现了绝热剪切失效，ASB中存在微孔洞和微裂纹；等轴组织出现的ASB数量最少、长度最短；魏氏组织具有最多的ASB，且长度最长，呈不规则的网络状分布。

4)不同组织的Ti-6321钛合金的动态压缩力学性能中，动态流变应力与冲击吸收功能较好地反映材料的抗弹性能；而准静态压缩力学性能却不能很好地反映钛合金的抗弹性能。