TC21鈦合金是由西北有色金屬研究院自主研制的一種具有高強度、高斷裂韌性和低裂紋擴展速率等特點的損傷容限型α+β 兩相鈦合金。主要用于航空航天領(lǐng)域，如制造飛機的機翼接頭結(jié)構(gòu)件、機身與起落架連接框等關(guān)鍵承力部件，也可用于船舶制造、能源等領(lǐng)域。由于鈦合金的優(yōu)異性能，近些年來同樣在兵器領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用，在服役過程中，會受到高應(yīng)變率的動態(tài)載荷。

經(jīng)過大量的研究表明，材料的力學(xué)性能與其加載時應(yīng)變率存在一定關(guān)系，根據(jù)應(yīng)變率的大小，一般對加載狀態(tài)進行劃分：

應(yīng)變率<10^-3s^-1時，屬于靜態(tài)或準靜態(tài)加載范圍，此狀態(tài)下應(yīng)變率效應(yīng)幾乎可以忽略不計；應(yīng)變率＞10^-3s^-1時，屬于動態(tài)加載范圍，此時需要考慮材料的應(yīng)變率效應(yīng)。

靜態(tài)或準靜態(tài)載荷作用時，其關(guān)鍵特征是結(jié)構(gòu)內(nèi)部每個微單元的合力近似為零，變形均勻且緩慢，不存在明顯的能量累積與瞬時傳遞效應(yīng)。而動態(tài)載荷作用下變形以高速向內(nèi)部傳播，結(jié)構(gòu)無法維持瞬時靜態(tài)平衡，內(nèi)部微單元存在顯著的合力差，變形呈現(xiàn)“遞進式擴散”特征，應(yīng)力以彈性波、塑性波等形式在材料內(nèi)部傳遞[1-5]。

目前對動態(tài)加載研究較多的是動態(tài)壓縮，在應(yīng)變率10² s^-1-10⁴ s^-1條件下采用最多的設(shè)備為分離式Hopkinson 壓桿裝置。變形機制不僅包含塑性流動，還可能涉及動態(tài)回復(fù)、動態(tài)再結(jié)晶等與時間相關(guān)的微觀過程，極端情況下甚至?xí)霈F(xiàn)絕熱剪切帶等瞬時失效現(xiàn)象。

動態(tài)壓縮加載下，鈦合金的屈服強度隨著應(yīng)變率的升高顯著增大。魏繼鋒等人[6]采用Q355ND 鋼在應(yīng)變率為0.001-4100 s^-1的范圍內(nèi)對進行室溫準靜態(tài)和動態(tài)拉伸實驗，同樣發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)變速率的增加，Q355ND 鋼的屈服強度顯著提高。

除此之外，F(xiàn)e-26Mn-10.2Al-0.98C-0.15V 鋼韌窩會隨著應(yīng)變率的增加而變淺變小，合金的斷裂機制也逐漸向脆性斷裂轉(zhuǎn)變[7]。以上情況在鈦合金中同樣存在，鈦合金TC21鈦合金的動態(tài)拉伸力學(xué)行為具備應(yīng)變率-溫度敏感特性，其初始屈服應(yīng)力隨應(yīng)變率增加而增大，隨溫度升高而減小，通過引入2個敏感度系數(shù)修正TC21鈦合金率-熱相關(guān)性的本構(gòu)行為[8]。高溫試驗條件下，TC21鈦合金的拉伸力學(xué)行為存在顯著的溫度和應(yīng)變速率相關(guān)性，并且在拉伸變形過程中未出現(xiàn)絕熱剪切帶和形變孿晶[9]。進行SHPB（霍普金森壓桿）加載和SHTB（霍普金森拉桿）加載均會使Ti-5553 合金發(fā)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變；Ti-5553 合金在SHPB 加載發(fā)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變之后再進行SHTB 加載時，發(fā)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變的能力受到抑制[10]。

鋼、鋁合金等發(fā)展較早，動靜態(tài)性能均有大量的研究，而針對鈦合金在準靜態(tài)和動態(tài)拉伸的演變?nèi)鄙倩A(chǔ)的規(guī)律特征對比。本文主要采用不同應(yīng)變速率下拉伸試驗研究TC21鈦合金斷裂行為。

1、試驗

試驗用規(guī)格為Φ410mm 的TC21合金為棒材，經(jīng)熱處理后組織為雙態(tài)組織，等軸初生α 相(αp)+轉(zhuǎn)變β 區(qū)組成，其中轉(zhuǎn)變β 區(qū)包括殘余β 相及片層狀次生α 相(αs)構(gòu)成。室溫靜態(tài)拉伸試驗在Instron 5982 型電子萬能試驗機上進行，試驗的應(yīng)變速率分別為0.1，0.01，0.001 s^-1。室溫動態(tài)拉伸試驗在分離式Hopkinson拉桿系統(tǒng)上進行，試驗的應(yīng)變速率分別為1 000，2 000，3 000 s^-1。圖1 為TC21 合金—雙態(tài)組織。

圖2 為動態(tài)拉伸試驗件尺寸。試驗用試樣臺階試樣，保證在高應(yīng)變率加載條件下結(jié)果有效。

Hopkinson 拉桿系統(tǒng)用于材料動力拉伸力學(xué)性能的測試。其裝置與壓桿類似，也包括氣室，子彈，入射桿，透射桿及能量吸收裝置，示意圖如圖1~3 所示。與壓桿裝置不同之處在于，拉桿裝置的子彈為一個套管，入射桿遠離試樣一端設(shè)計為帶凸臺的結(jié)構(gòu)，子彈在氣室壓力作用下以一定速度撞擊入射桿凸臺，從而在入射桿中產(chǎn)生一列拉伸應(yīng)力波向試樣傳播，并對試樣施加動態(tài)拉伸載荷。

試驗前，并將準備好的試樣安裝在Hopkinson 拉桿裝置上，通過調(diào)節(jié)子彈長度和氣壓大小來實現(xiàn)不同應(yīng)變率的加載。

2、結(jié)果與分析

假設(shè)動態(tài)性能遵循一維彈性波傳播理論，位移和應(yīng)變之間關(guān)系式：

式中：u 為變形量；x 為原始長度；C0為波速；t 為時間。

在試驗與壓桿接觸的2 個端面A、B 上應(yīng)用上式，考慮應(yīng)力波的疊加有：

式中：εI為入射波應(yīng)變；εR為反射波應(yīng)變；εT為透射波應(yīng)變。所以試樣的應(yīng)變可以得到：

在忽略試樣內(nèi)部的波的傳播效應(yīng)的假設(shè)下，通過短試樣的應(yīng)力是常量，則：

帶入到(7)式可以得到應(yīng)變：

應(yīng)變率和應(yīng)力由下式得出：

式中：E 為桿子的彈性模量；SI為試樣長度；A為輸入桿截面積；As為試樣截面積。

動態(tài)拉伸試驗按照以上對試驗結(jié)果進行處理，靜態(tài)拉伸試驗結(jié)果由軟件自動報出。表1 為不同應(yīng)變率下試驗結(jié)果。

表1 不同應(yīng)變率下試驗結(jié)果

Table 1 Test Results at Different strain rates

圖4 為靜態(tài)拉伸試驗結(jié)果。在靜態(tài)加載條件下，隨著應(yīng)變率的提升，材料的抗拉強度及屈服強度呈增長趨勢，抗拉強度由1049MPa 提高到1087MPa，提升約40MPa，屈服強度由842 MPa 提高到906 MPa，提升約60MPa，但相應(yīng)的延伸率基本無明顯變化。通過試驗曲線可以看出，整體塑性較高，有明顯的均勻塑性變形階段。

圖5 為動態(tài)拉伸試驗結(jié)果。在動態(tài)加載條件下，同樣抗拉強度與應(yīng)變率成正相關(guān)性。3000 應(yīng)變率下強度達到1671MPa，相比于靜態(tài)強度，提高約600MPa。但延伸率均在0.2%以下，基本不存在均勻塑性變形，快速擴展斷裂。

圖6 為不同應(yīng)變速率下斷裂宏觀形貌。隨著應(yīng)變速率的增加，靜態(tài)拉伸斷口整體包含纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇區(qū)。在應(yīng)變率為0.001s-1和0.01s-1時纖維區(qū)占比較大，超過50%，其次為剪切唇區(qū)，放射區(qū)面積較小。在應(yīng)變率0.1s-1時纖維區(qū)占比降低，纖維區(qū)面積增加。

圖7 為不同應(yīng)變速率下斷裂微觀特征(1000 倍)。而動態(tài)拉伸斷口以放射區(qū)為主，纖維區(qū)以及剪切唇區(qū)占比較少，斷面由整體平坦(1000 s-1)逐漸向多條擴展棱過渡。由靜態(tài)到動態(tài)斷裂特征的變化可以看出，隨著應(yīng)變速率的增加，鈦合金表現(xiàn)出從韌性斷裂相脆性斷裂的趨勢。

為不同應(yīng)變速率下斷口組織特征。在高倍組織特征中，以韌窩斷裂為主，斷裂特征仍屬于韌性斷裂特征，隨著應(yīng)變速率的增加，斷裂韌窩尺寸增大；

動態(tài)拉伸相比于靜態(tài)，斷裂韌窩尺寸更大，且韌窩均較淺。

靜態(tài)拉伸斷口附近裂紋擴展路徑曲折，存在較多與正應(yīng)力加載垂直的平面，由于初生α 相和β 相區(qū)硬度不同，在斷裂過程中優(yōu)先在等軸初生α 相和轉(zhuǎn)變β區(qū)界面處形成微孔，隨后長大聯(lián)通，形成微裂紋。而動態(tài)拉伸斷口與加載方向呈45°，除了在初生α 相和轉(zhuǎn)變β 區(qū)界面處形成微孔外，還在等軸初生α 相內(nèi)部形成微孔，縮短了不同微孔之間的距離，在加載過程易微孔聚集，生成微裂紋。

3、變形與強化機制

靜態(tài)拉伸由于變形速率較慢，加載過程中使變形能夠充分擴散，變形機制以位錯緩慢運動+雙相協(xié)調(diào)形變?yōu)橹鳌Ｓ捎谵D(zhuǎn)變β 區(qū)包括殘余β 相及片層狀次生α 相(αs)，片層狀α/β 組織因界面約束，初始變形阻力更高，大部分形變均由α承擔(dān)，α 相的滑移系更易激活，因此位錯在α 相內(nèi)以滑移為主。當(dāng)運動至α/β 相界面時，通過剪切傳遞方式穿過界面，在β 基體中激活新的滑移系，其中α 片層不易斷裂，通過彎曲、滑移可以進一步協(xié)調(diào)變形[11-14]。

而高應(yīng)變加載時，雙態(tài)組織的變形機制呈現(xiàn)“位錯塞積+織構(gòu)增強”的耦合特征。高應(yīng)變率下，位錯滑移速率顯著提升，且沿拉伸方向定向運動，首先在等軸α 晶粒內(nèi)部，由于滑移系啟動受限，位錯在晶內(nèi)滑移帶末端或亞晶界處大量堆積。

在α/β 相界面，α（hcp）與 β（bcc）晶體結(jié)構(gòu)差異大，作為主要的位錯障礙，位錯從 α 滑移至 β 需跨越界面，在界面處形成位錯塞積群，局部應(yīng)變硬化率顯著提升。同時塞積群產(chǎn)生長程內(nèi)應(yīng)力，顯著提升臨界分解切應(yīng)力。宏觀表現(xiàn)為材料強度提升。

另外織構(gòu)起到了重要作用。動態(tài)拉伸中快速形成B/T 型織構(gòu)[15]，α 相沿受力方向定向排列成“鏈狀”結(jié)構(gòu)。α 相由初始球狀拉長，平行于加載方向與β 基體形成鏈狀結(jié)構(gòu)（圖8），變形傳遞過程中，可以將載荷高效傳遞至β 基體；有研究表明織構(gòu)強化使α 相的應(yīng)力承載占比從準靜態(tài)的40%提升至60%[16-21]，成為動態(tài)拉伸的核心強化路徑。因此，同種材料在高應(yīng)變率條件下，強度會有顯著提升。實際本研究中TC21鈦合金動態(tài)強度與靜態(tài)相比，強度平均提升約53.4%。

相關(guān)的研究中也發(fā)現(xiàn)，除了以上應(yīng)變強化效應(yīng)外，并且鈦合金本身導(dǎo)熱性能較差，在快速加載過程中，由于在高應(yīng)變率變形時載荷作用的時間極短，導(dǎo)致試樣內(nèi)由塑性變形功所轉(zhuǎn)化的熱能無法在極短的時間內(nèi)消散，造成材料局部溫升[16]，嚴重的會導(dǎo)致材料發(fā)生回復(fù)或再結(jié)晶，使得金屬得到一定程度的軟化，從而材料抵抗變形的能力降低。在高應(yīng)變率條件下，材料的應(yīng)變強化和熱軟化作用始終存在于整個塑性變形過程。

由于位錯塞積及織構(gòu)的聯(lián)合作用，材料在變形過程中集中在局部區(qū)域，變形無法充分擴散，無法達到靜態(tài)緩慢加載時位錯緩慢運動+雙相協(xié)調(diào)形變的變形傳遞方式，缺少相應(yīng)的均勻形變過程，在達到最大力之后，只發(fā)生局部塑性變形，導(dǎo)致延伸率較低。

高應(yīng)變率下斷裂特征其實是應(yīng)變強化與熱軟化效應(yīng)的耦合作用下表現(xiàn)出的行為。在不同條件下，兩種效應(yīng)對最終特性貢獻不同。有研究表明Ti-6Al-4V 在 7000 s?1應(yīng)變率下的絕熱溫升可達 350℃，對相界面結(jié)合力才起到軟化作用[22]。

TC21 合金在試驗3000s?1應(yīng)變率未見局部組織發(fā)生回復(fù)或再結(jié)晶，因此，在本文實驗條件下，高應(yīng)變率下強度的明顯提升主要是應(yīng)變強化起到主要作用。宏觀性能表現(xiàn)為強度高塑性差。

4、結(jié)論

通過對不同應(yīng)變率下拉伸試驗結(jié)果的對比，以及對試驗后斷裂行為的特征分析，主要有以下結(jié)論：

1）TC21 雙態(tài)鈦合金隨著加載應(yīng)變率的增加，靜態(tài)拉伸強度升高約40MPa，塑性無明顯變化。動態(tài)拉伸強度相比靜態(tài)提高約600MPa,但塑性急劇下降。

2）隨著加載速率的增加，韌性斷裂特征逐漸向脆性特征轉(zhuǎn)變，韌窩尺寸增加但較淺。動態(tài)拉伸斷口除了在初生α 相和轉(zhuǎn)變β 區(qū)界面處形成微孔外，還在等軸初生α 相內(nèi)部形成微孔。

3）與靜態(tài)加載強化機制不同，動態(tài)加載的強化效應(yīng)是應(yīng)變強化和熱軟化作用共同作用的結(jié)果，3000s?1應(yīng)變率條件下，TC21 主要強化機制主要為應(yīng)變強化。

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（注，原文標題：不同應(yīng)變速率下TC21鈦合金拉伸斷裂行為研究_李瑤）