简介概要

Ti-6Al-4V合金绝热剪切带的演化

来源期刊：稀有金属2009年第5期

论文作者：张静王富耻谭成文才鸿年刘新芹

关键词：Ti-6Al-4V; 绝热剪切带; 演化过程;

摘要：利用分离式霍普金森压杆(SHPB)技术,对双态组织和片层组织Ti-6Al-4V合金帽形试样进行动态加载实验,通过控制加载时间(50,60和80μs)来研究绝热剪切带随时间的演化过程.微观分析结果表明:两种组织中绝热剪切带的宽度有一个发展过程,随着入射波加载时间的延长,绝热剪切带逐渐变宽;当加载时间为60μs时,两种组织钛合金中的绝热剪切带演化过程相同,均是在剪切应力下微观组织的拉长、细化和碎化;当加载时间为80μs时,双态组织中绝热剪切带的演化过程仍然是带内晶粒的进一步细化,而片层组织中的绝热剪切带中可能发生了动态再结晶.绝热剪切带演化过程的不同导致了绝热剪切带宽度的差异.

稀有金属 2009,33(05),648-651

Ti-6Al-4V合金绝热剪切带的演化

张静谭成文刘新芹王富耻才鸿年

北京理工大学材料学院

北京理工大学航天医学工程研究所先进材料行为特性实验室

摘要：

利用分离式霍普金森压杆(SHPB)技术,对双态组织和片层组织Ti-6Al-4V合金帽形试样进行动态加载实验,通过控制加载时间(50,60和80μs)来研究绝热剪切带随时间的演化过程。微观分析结果表明:两种组织中绝热剪切带的宽度有一个发展过程,随着入射波加载时间的延长,绝热剪切带逐渐变宽;当加载时间为60μs时,两种组织钛合金中的绝热剪切带演化过程相同,均是在剪切应力下微观组织的拉长、细化和碎化;当加载时间为80μs时,双态组织中绝热剪切带的演化过程仍然是带内晶粒的进一步细化,而片层组织中的绝热剪切带中可能发生了动态再结晶。绝热剪切带演化过程的不同导致了绝热剪切带宽度的差异。

关键词：

Ti-6Al-4V;绝热剪切带;演化过程;

中图分类号： TG115

作者简介：张静(1979-),男,湖南湘潭人,博士;研究方向:材料加工工程;谭成文(E-mail:tanchengwen@126.com);

收稿日期：2008-12-31

Evolution of Adiabatic Shear Bands in Typical Microstructure of Ti-6Al-4V Alloy

Abstract：

In order to investigate evolution of adiabatic shear bands in typical microstructure (bimodal and lamellar microstructures) of Ti-6Al-4V alloy,the split Hopkinson press bar (SHPB) was used to impact hat-shaped specimens,and three impact bars of different length were used to control the loading time (50,60 and 80 μs). SEM and TEM were carried out to observe patterns of adiabatic shear bands (ASBs) in the specimens after impacting. The results showed that thickness of ASBs increased with the increase of loading time,and with the increase of loading time,evolution of ASBs in bimodal and lamellar microstructure was quite different. In lamellar microstructure,equiaxed structure was found in the specimen under the loading time of 80 μs,which might indicate that dynamic recrystallization happened. It led the thickness of ASB in lamellar microstructure thicker than that in bimodal microstructure.

Keyword：

Ti-6Al-4V;adiabatic shear bands;evolution;

Received： 2008-12-31

钛合金具有低的比热容和高强度, 在高应变率加载条件下易于产生绝热剪切带(ASB)。国内外研究者 ^{[1,2,3,4,5,6,7]} 对于不同组织的钛合金的绝热剪切行为做了大量的研究, 但是对于不同组织的钛合金中绝热剪切带随时间的演化过程的对比报道却很少。本研究利用分离式霍普金森压杆(SHPB)加载技术, 对双态组织和片层组织的Ti-6Al-4V合金的帽形试样进行动态加载实验, 使用不同长度的撞击杆来控制加载时间, 并观察绝热剪切带中的微观结构特征, 分析不同组织中ASB的微观结构特征随时间变化的差异。本研究的结果有助于认识不同组织钛合金中ASB的演化规律, 对优化高应变率载荷下应用的Ti-6Al-4V合金的材料结构具有重要的指导意义。

1 实验

1.1 实验材料及其微观组织

实验材料为经过锻造的普通TC4钛合金(Ti-6Al-4V)棒料。经过950 ℃保温1 h后空冷, 再在600 ℃保温4 h后空冷的固溶加普通退火处理后, 获得了如图1(a)所示的双态组织, 是由直径约为10 μm的等轴初生α相与内部填充有宽度约为1 μm的片状次生α相的转变β相基体构成; 经过1020 ℃保温30 min后空冷, 再在750 ℃保温2 h后空冷的固溶处理后再结晶退火热处理, 获得了如图1(b)的片层组织, 在β相基体上析出了宽度约为0.5 μm的针状α相, 而β晶界的α相的大小与β相晶粒内的针状α相的宽度相差不大, 不容易分辨出晶界α相和晶内次生α相。

图1 Ti-6Al-4V不同的微观组织

Fig.1 Optical micrographs of Ti-6Al-4V (a) Bimodal microstructure; (b) Lamellar microstructure

1.2 实验原理和方法

本实验采用直径14.5 mm 的SHPB作为动态加载装置。根据一维应力波传播理论和SHPB装置的加载原理, 可知实验中应力波加载时间t与撞击杆长度的关系为:

其中L撞击杆的长度, C为应力波在SHPB杆材料中的传播速度。从公式(1)中可以看出, 通过改变撞击杆长度L, 可以控制动态加载的时间。本实验为了研究不同加载条件下ASB的演化过程, 设计了长度分别为127, 151和200 mm的3种撞击杆, 以获得50, 60和80 μs的加载时间。

为了便于获得绝热剪切带并进行微观分析, 本实验采用帽形试样, 其尺寸如图2所示。将实验后的试样沿纵截面剖开, 分别采用扫描电子显微镜和透射电子显微镜对绝热剪切带进行微观分析。透射电镜样品为韧带区域切下边长为2 mm×2 mm、厚度为1 mm的薄片, 经过机械抛光至0.05 mm后, 使用Gatan离子减薄系统减薄样品, 减薄过程中保证ASB经过薄区, 使用JEOL 200CX TEM观察, 加速电压160 kV。

2 结果与讨论

2.1 绝热剪切现象分析

图3为在扫描电镜下观察到的双态组织和片层组织在不同历时入射波加载条件下的ASB形貌, 可以看出, 随着加载时间的增加, 两种组织中ASB的宽度发生了变化。在加载时间为50 μs时, ASB的宽度分别为5.2和5.0 μm, 加载时间增加到60 μs时, ASB的宽度分别为9.2和9.6 μm, 当加载时间为80 μs时, ASB宽度分别为10.8和13.9 μm, 如表1所示。因此, 当ASB形成后, 它的宽度有一个发展过程, 最先形成ASB的位置是图中的ASB中心区域, 随着加载时间的延长, ASB继续发展, 局部变形区域会逐渐向两侧发展。虽然在两种组织中ASB的宽度都随着加载时间的增加而变宽, 但是不同组织中的ASB宽度随加载时间变化的程度有所不同: 在加载时间为50和60 μs时, 两种组织中ASB的宽度相差不大, 当加载时间增加到80 μs时, 片层组织中ASB的宽度明显较宽, 相差约1/4, 如图4所示, 说明片层组织中绝热剪切带在宽度方向比双态组织更容易扩展。因此, 可以推断在加载时间小于60 μs时, 两种微观组织钛合金中绝热剪切带的演化历程基本相同, 而加载时间在60～80 μs的过程中, 两种组织中的ASB的演化历程有所不同。

表1 两种组织在不同加载时间条件下ASB的宽度(μm)

Table 1Thickness of shear bands of two microstructures under different loading time(μm)

Microstructure	50 μs	60 μs	80 μs
Bimodal	5.2	9.2	10.8
Lamellar	5.0	9.6	13.9

2.2 两种组织中ASB演化过程分析

从前人对于绝热剪切行为的研究 ^[8,9,10,11] 可知, 在绝热剪切带演化初期均为由于剪应力造成的晶粒拉长和碎化, 而随着应变的增加, 绝热剪切带的演化历程存在不同。本研究利用透射电镜对加载时间分别为60和80 μs的双态组织和片层组织中ASB的微观形貌进行分析。图5(a)和5(b)分别为双态组织和片层组织的ASB的透射电镜形貌, 可以看出, 在加载时间为60 μs时, 双态组织中α晶粒在剪应力作用下沿剪切方向被拉长, 并且晶粒有明显的细化, 片层组织中α层片同样是在剪应力作用下拉长和碎化, 说明在加载时间为60 μs的过程中, 两种组织中ASB的演化过程基本相同, 主要是以ASB内的微观组织沿剪切方向被拉长、细化为主。

图5(c), 图5(d)分别是加载时间为80 μs的双态组织和片层组织的ASB的透射电镜形貌, 可以看出, 当加载时间为80 μs时, 在双态组织中ASB的演化仍然是剪应力作用下, 晶粒继续细化, 而在片层组织中, α层片明显碎化, 并且在ASB中心的出现了低位错密度的具有等轴特征的α晶粒, 晶粒尺寸大约为100 nm, 如图5(e), 说明在加载时间为80 μs时, 片层组织的ASB中心区域有可能已经发生了动态再结晶。绝热剪切带中心所形成的细小等轴组织, 由于集中应力的释放, 使得绝热剪切带进一步变形所需要的应力明显减小, 更加有利于绝热剪切带的变形, 因此使得在相同的加载时间(80 μs)条件下, 片层组织中的ASB的宽度明显宽于双态组织中ASB的宽度。

3 结论

1. 通过变长度撞击杆的SHPB实验, 可以有效地控制应力波的加载时间, 以研究不同阶段的绝热剪切带的微观组织相貌和绝热剪切带的演化过程。

2. Ti-6Al-4V合金中ASB的形成是一个随加载时间的演化过程, 最先形成ASB的区域是观测到的ASB的中心位置, 随着剪切局域化的发展, ASB向两侧扩展, 宽度逐渐变大。

3. 在加载时间为60 μs时, 双态组织和片层组织中ASB的演化过程主要是在剪切应力下造成微观组织被拉长和碎化, 当加载时间增大到80 μs时, 双态组织中ASB的演化仍然是晶粒碎化过程, 而片层组织中ASB的演化不仅存在晶粒碎化过程, 而且还在ASB中心区域出现了等轴组织, 可能存在动态再结晶过程。绝热剪切带演化的不同, 造成Ti-6Al-4V合金不同组织的ASB的宽度有明显的不同。