稀有金属 2012,36(04),517-522
不同组织状态TC4 ELI钛合金动态力学性能研究
刘清华 惠松骁 叶文君 王国 胡光山
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：
利用分离式霍普金森压杆装置(SHPB)对低间隙Ti-6Al-4V(TC4 ELI)合金的等轴组织、双态组织和魏氏组织试样进行了动态压缩试验。应变率分别为ε=2000,3000,4000 s-1,得到了动态压缩真应力-应变(σ-ε)曲线,并对试验后发生剪切失效破坏的试样沿纵剖面切开,利用金相显微镜(OM)进行显微组织观察。结果表明:动态压缩条件下TC4 ELI合金3种组织试样的真应力-应变曲线大致分为弹性阶段和塑性阶段,没有明显的屈服平台,3种组织状态下的试样在高应变率下应变强化效应不明显,表现出一定的应变率强化效应;在4000 s-1应变率加载条件下,平均动态流变应力(σ)、均匀动态塑性应变(ε)以及冲击吸收功(E)按等轴组织、双态组织和魏氏组织顺序依次减小,等轴组织试样的σ,ε和E分别达到了1400 MPa,0.34%和470 kJ.m-3,具有较好的动态力学性能;在4000 s-1应变率加载条件下3种组织状态的试样均发生了剪切失效破坏,并在其纵剖面上都观察到了一条白亮的绝热剪切带(ASB),裂纹沿着绝热剪切带由圆柱试样的圆柱面向中心扩展,与ASB形成和扩展的方向一致,剪切带与导致断裂的裂纹密切相关。
关键词：
分离式霍普金森压杆;TC4 ELI;动态力学性能;绝热剪切带;
中图分类号： TG146.23
作者简介：刘清华(1985-),女,河南安阳人,硕士研究生;研究方向:钛合金材料;惠松骁(E-mail:huisx@grinm.com);
收稿日期：2011-10-11
基金：国家科技部科技支撑计划(2008BAE62B03)资助项目;
Dynamic Mechanical Properties of TC4 ELI Titanium in Different Microstructure States
Abstract：
The dynamic mechanical properties of extra low interstitial Ti-6Al-4V(TC4 ELI) were studied with split hopkinson pressure bar device.The microstructures of TC4 ELI contained equiaxed,bimodal and widmanstatten.The dynamic stress-strain curves under different strain rates of 2000,3000 and 4000 s-1 were obtained.The microstructures of the cross-sectional area where adiabatic shear bands took place were examined using optical microscope(OM) technique.The results showed that the stress-strain curve of TC4 ELI in dynamic conditions was pided into elastic stage and plastic stage,without obvious yield platform.The strain hardening effect of the three microstructures were not obvious at high strain rate,but they showed some strain rate strengthening effect.At the strain rate of 4000 s-1,the average dynamic flow stress,dynamic plastic strain and impact absorbed energy reduced orderly according to the microstructures equiaxed,bimodal and widmanstatten.The σ,ε and E of equiaxed specimen were 1400 MPa,0.34% and 470 kJ · m-3 respectively,showing superior dynamic mechanical properties.The shear failure damage occurred in each of the three microstructures at the strain rate of 4000 s-1.A bright white adiabatic shear band(ASB) was also observed on the cross-sectional area.Crack extended along the adiabatic shear band from the cylindrical surface to inside.The adiabatic shear band was found to be closely related to the crack ignition,which led to the catastrophic fracture.
Keyword：
split hopkinson pressure bar;TC4 ELI;dynamic mechanical properties;adiabatic shear band;
Received： 2011-10-11
钛及钛合金由于其密度小(4.51 g·cm-3)、熔点高、比强度高、抗腐蚀性能优异及低温变形性能好等特点,广泛应用于航空工业及国防工业等领域[1,2]。然而在服役过程中,经常会遇到强冲击等涉及到高速冲击载荷的高速变形,在高速变形过程中由于变形时间短,塑性功转化的热量将引起绝热升温,导致热塑性失稳,可能会出现绝热剪切现象,导致材料承载能力下降,从而引起断裂[3,4,5,6,7]。
Ti-6Al-4V(TC4)合金是目前应用最广泛、最成熟的一种钛合金。近些年关于TC4的动态力学性能方面的研究,已有很多相关的文献报道。陈刚等[8]研究了TC4在应变率1×10-4~1×103下的动态力学性能,得到了相应的塑性本构模型参量。王晓峰等[9]研究了TC4钛合金在应变率1500~5000 s-1范围内动态压缩曲线及特性参数,得出TC4钛合金的动态压缩响应具有一定的应变率相关性。郭浩等[10]研究了TC4钛合金在应变率1000~3000 s-1范围内的动态力学性能,发现在高应变率加载下TC4钛合金表现出应变率强化效应的弱化倾向,TC4合金的应变率强化效应稍高于高应变率下的绝热温升所致的热软化。
TC4 ELI钛合金在TC4合金的基础上,降低了间隙元素C,O,N和杂质元素Fe的含量,虽降低一些强度(50~100 MPa),但可显著提高韧性,TC4 ELI具有较好的塑性、韧性、良好的焊接性能及低温使用性能,已广泛应用于低温工程、医疗、舰船及飞行器等重要领域[11,12]。在舰船和飞行器等领域的应用中常常涉及到冲击载荷的作用,此类应用中TC4 ELI的动态力学性能至关重要,但目前对TC4 ELI动态力学性能方面的研究报道却很少。另外,钛合金的性能取决于组织状态、相的组成及分布等微观特征[13],不同的组织状态性能差异较大。因此,本文对不同组织状态的TC4 ELI钛合金的动态力学性能做了进一步研究。
1 实验
1.1 实验材料
实验材料为低间隙的Ti-6Al-4V(TC4 ELI)合金,该合金的铸锭经多道次锻造、热轧制后获得Ф12 mm棒材,棒材横截面原始组织为等轴组织(图1),具体成分见表1。利用淬火金相法测得相变点Tβ为(945±5)℃。
组织状态选择等轴、双态(初生α相占44%)及魏氏等3种组织。TC4钛合金在低于β相变点较多的两相区变形和热处理时,可获得等轴组织,这类组织的特点是均匀分布的、含量超过50%的等轴初生α相基体上,存在一定的转变组织;在低于β相变点较少的两相区变形和热处理时,可获得双态组织,双态组织的特点是β转变组织的基体上,分布有互不相连的初生α颗粒;当TC4钛合金变形开始和终了温度都在β相区,变形量又不很大(一般小于50%)的情况下,或将合金加热到β相区后较慢地冷却下来时,可获得魏氏组织,魏氏组织具有粗大的原始β晶粒,在原始β晶界上分布有清晰的晶界α,原β晶粒内是片状α束域,α片间为β相[14]。本试验所采用的热处理制度如表2所示,得到的3种组织照片参见图2。
图1 TC4 ELI棒材的原始组织Fig.1 Original microstructure of TC4 ELI bars
表1 TC4 ELI的化学成分(%,质量分数)Table 1 Chemical composition of TC4 ELI(%,mass fraction) 下载原图
表1 TC4 ELI的化学成分(%,质量分数)Table 1 Chemical composition of TC4 ELI(%,mass fraction)
1.2 实验方法
实验在14.5 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)上进行,实验装置见图3,原理参阅文献[15-18]。在热处理后的棒材上沿轴向取Ф5 mm×5 mm的圆柱体试样,进行动态压缩试验。将试验后发生
表2 热处理工艺及组织特征Table 2 Heat treatment processing and microstructure 下载原图
表2 热处理工艺及组织特征Table 2 Heat treatment processing and microstructure
图2 TC4 ELI合金的3种微观组织Fig.2 Three microstructures of TC4 ELI alloy(a)Equiaxed;(b)Bimodal;(c)Widmanstatten
图3 SHPB装置示意图Fig.3 Scheme of SHPB
1-Impact bar;2-Input bar;3-Sample;4-Output bar;5-Absorbing bar;6-Damper;7-Strain gauge;8-Strain measuring device;9-Waveform storage device;10-Data processing system
剪切失效破坏的试样沿纵剖面切开,制备金相试样,并利用Axiovert-200MAT光学显微镜对其进行显微组织观察。对等轴、双态和魏氏组织试样分别进行2000,3000,4000 s-13个应变率下的动态压缩试验,得到了动态真应力-应变(σ-ε)曲线,见图5所示。从图5可以看出其动态真(σ-ε)曲线大致可分为弹性阶段和塑性阶段,没有出现明显的屈服平台。在屈服以后,随着塑性变形的增加,3种组织试样的动态流变应力均无明显增加,说明这3种组织试样在高应变率条件下的应变强化效应不明显。另外,随着应变率的增加,3种组织试样的动态流变应力都有所提高,表现出一定的应变率强化效应。
2 结果与讨论
2.1 动态力学性能分析
TC4 ELI合金3种组织试样在2000,3000,4000 s-1应变率下压缩后,回收试样的宏观照片参见图4。由图4可知,在2000和3000 s-1应变率条件下,试样均没有发生宏观的破坏,只是略有变形,呈鼓状,在2000 s-1应变率加载条件下,宏观变形量在10%左右,而3000 s-1应变率加载条件下,宏观变形量在19%左右。但当应变率达到4000 s-1时,宏观变形量达到40%左右,3种组织状态的试样均发生了剪切破坏,断裂失效方向沿着最大剪应力方向,即与圆柱试样轴线成45°方向,属于典型的剪切断裂。
图4 TC4 ELI合金3种组织试样在不同应变率下的变形与断裂Fig.4 Plastic deformation and fracture of three microstructures of TC4 ELI alloy at different strain rates
图6为3种组织试样在相同的应变率条件下的动态真(σ-ε)曲线对比。可见,在2000 s-1应变率下魏氏组织试样动态流变应力较高,等轴和双态的相当。魏氏组织中α相纵横交错排列,在塑性变形过程中,位错受到阻碍容易发生塞积,而等轴组织和双态组织中的初生α相呈球形,初生α相与基体之间取向任意,变形协调性好,可以通过自身的大变形来协调塑性变形中的不均匀性。因此,魏氏组织试样的流变应力较高[19]。
本实验使用试样发生塑性变形时所吸收的能量(即冲击吸收功E)来表征材料的动态力学性能优劣,在动态真(σ-ε)曲线图中,应力陡然上升和下降的点分别为试样发生塑性变形和剪切破坏的临界点。结合图6(c)中的动态真应力-应变曲线数据,通过下式:
计算3种组织试样在4000 s-1应变率加载条件下的冲击吸收功E。其中,ε1为试样发生塑性变形临界点对应的应变值,ε2为试样发生剪切破坏临界点对应的应变值(图6(c)中所标ε1,ε2为等轴组织试样所对应的动态真应力-应变曲线的两个拐点)。
结合图6(c)将试验计算所得3种组织试样在4000 s-1应变率加载条件下的平均动态流变应力(σ)、均匀动态塑性应变(ε)以及冲击吸收功(E)的值列于表3。由表3可知,在4000 s-1应变率加载条件下,等轴组织的平均动态流变应力、均匀动态塑性应变和冲击吸收功都是最高的,分别达到了
表3 在4000 s-1应变率下TC4 ELI合金3种组织试样的σ,ε及E对比Table 3 Dynamic strength,dynamic strain and absorbed energy of three microstructures at 4000 s-1 下载原图
表3 在4000 s-1应变率下TC4 ELI合金3种组织试样的σ,ε及E对比Table 3 Dynamic strength,dynamic strain and absorbed energy of three microstructures at 4000 s-1
1400 MPa,0.34%和470 MJ·m-3,魏氏组织的平均动态流变应力和双态组织的相同,达到1360MPa,但魏氏组织的均匀动态塑性应变和冲击吸收功最低,分别为0.28和380 MJ·m-3。在4000 s-1应变率加载条件下,均匀动态塑性应变和冲击吸收功按等轴组织、双态组织和魏氏组织的顺序依次减小,平均动态流变应力也呈降低趋势,由此可知等轴组织具有较好的动态力学性能。
2.2 微观组织分析
将SHPB实验后发生剪切破坏的不同组织状态下的试样沿纵剖面切开,得到的微观组织如图7所示。由图7可见,在这3种组织中均观察到了绝热剪切带,裂纹在圆柱试样的圆柱面形成,并从试样的外围向中心扩展,与ASB的形成和扩展方向一致,由此可知导致试样断裂的裂纹与ASB密切相关。
图7 3种组织试样在4000s-1应变率下的绝热剪切带Fig.7 ASB in three microstructures at strain rate of 4000 s-1(a)Equiaxed;(b)Bimodal;(c)Widmanstatten
钛合金热导率低,滑移系少,属于绝热剪切敏感性材料。在高速冲击载荷下变形时,由于载荷强度高、作用时间短,绝大部分的塑性功转化为热能,此时材料就会发生热粘塑性失稳,出现绝热剪切破坏。破坏过程经历了剪切带内裂纹的萌生、扩展和聚合等阶段,最终导致了剪切带与基体的剥离,试样断裂[20]。
3 结论
利用SHPB装置对TC4 ELI 3种组织试样进行了动态压缩试验,并对发生剪切破坏的试样进行了微观组织观察和分析,得出以下结论:
1.动态条件下TC4 ELI合金试样的真应力-应变曲线分为弹性阶段和塑性阶段,没有明显的屈服平台;3种组织状态试样在高应变率下应变强化效应不明显,表现出一定的应变率强化效应。
2.在4000 s-1应变率加载条件下等轴组织、双态组织和魏氏组织试样的平均动态流变应力、均匀动态塑性应变以及冲击吸收功均依次降低。
3.在4000 s-1应变率下,3种组织试样都发生了剪切破坏,并在组织中均观察到了绝热剪切带,裂纹在圆柱试样的圆柱面形成,并从试样的外围向中心扩展,与ASB的形成和扩展方向一致,表明剪切带与导致断裂的裂纹密切相关。
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