α+β 两相钛合金的动态压缩性能对抗弹性能的影响分析

杨 柳，王 莹，吴静怡，刘 昕

（成都先进金属材料产业技术研究院股份有限公司,四川 成都 610300）

0 引言

钛合金因具有高的比强度，良好的塑性、韧性、抗腐蚀性，加之优异的抗弹性能而被用作防护装甲材料，其已在M1A2 艾布拉姆斯主战坦克、M2 布雷德利装甲运兵车上实现了应用。目前，对钛合金材料动态力学性能和抗弹性能的研究，主要以TC4 钛合金为主。Singh 等[1]的研究表明，α+β 区锻造的TC4 钛合金具有良好的强塑性匹配特征，抗弹性能优异。Lee 等[2]研究了TC4 钛合金双态和等轴2 种组织靶板的抗弹性能，结果表明：双态组织的抗弹性能优于等轴组织，在双态组织靶板中产生的绝热剪切带数量较少并局限于距表面较浅的区域内。Zheng 等[3]研究了微观组织对TC4 钛合金抗弹性能的影响，研究表明：转变β 区上分布着较宽α 片层的双态组织具有最好的抗弹性能。Sukumar 等[4]的研究发现，强度和硬度明显高于TC4 钛合金的β-CEZ钛合金，抗弹性能却与之相近。杨凯文等[5]通过α+β 区锻造和β 区锻造获得了双态组织和片层组织TC21 钛合金，研究了热加工工艺对其动态力学性能和抗弹性能的影响。笔者以TC4 钛合金作为基础材料，选用了强度级别更高的同类型两相钛合金TC6 和TC11 作为对比材料，进行了力学性能和动态压缩性能的表征分析，并通过靶试试验，分析了材料性能对抗弹性能的影响，为抗弹防护用钛合金材料组织性能调控工艺优化的制定提供参考依据。

1 试验

1.1 试验材料

选用某公司工业生产的TC4、TC6、TC11 三种α+β 两相钛合金热轧板材（轧制态）作为动态压缩试验和靶试试验材料，TC4、TC6 钛合金板材原始厚度12 mm，TC11 钛合金板材原始厚度14 mm，三种钛合金的化学成分如表1 所示。DSC 测试的材料相变温度分别为983.3 ℃（TC4）、986.1 ℃(TC6)、1 020.9 ℃(TC11)。为了使材料强度得到进一步提高，采用β 相区固溶+时效的热处理方式对材料进行强化处理，具体热处理工艺如下：

表1 三种α+β 两相钛合金的化学成分Table 1 The chemical compositions of materials %

将热处理后的三种钛合金板材都加工为100 mm×200 mm 尺寸规格，TC11 板材厚度机加工到12 mm，作为靶试试验的靶板。

1.2 试验方法

对试样进行磨抛处理后进行腐蚀，腐蚀液成分为HF∶HNO3∶H2O=1∶3∶16 的混合腐蚀液，浸蚀时间10～15 s，发现试样光亮表面变灰暗后，立即用大量清水和酒精冲洗，随后采用LEICA DM6000M光学显微镜进行金相组织观察。

采用Instron5569 电子拉伸试验机，按GB/T 228-2010《金属材料 拉伸试验第1 部分：室温试验方法》对三种热处理后的板材沿横向取样，进行力学性能测试，获得抗拉强度、屈服强度以及伸长率。

在钛合金板材上沿着厚度方向取Ø5 mm×5 mm 的圆柱体试样，进行动态压缩试验。动态压缩试验在Ø14.5 mm 分离式Hopkinson Bar 上进行，采用200 mm 撞击杆，打击气压为3～5 MPa，通过控制打击气压使样品的应变率维持在2 500～3 000 s-1，每组材料测试获得至少两组有效数据，计算获得试样在动态轴向压缩加载条件下的动态真应力-应变曲线。

在靶场进行靶试试验，采用87 式自动步枪和配套的5.8 mm 口径普通钢芯弹，子弹初速度为900～930 m/s，射击条件为100 m 射距、0°入射角，命中靶板且垂直着弹记为有效命中。

2 结果及分析

2.1 组织与拉伸性能

TC4、TC6、TC11 经过β 相区固溶后水冷时效处理的金相组织如图1 所示，可以看出在相变温度以上加热保温时，组织中的晶粒明显粗化，可以明显观察到保留下来的原始β 晶界，但是由于添加合金类型和含量的差异，导致原始β 粗大晶粒内部的亚结构有明显的差异。从图1（a）（b）中可以观察到，TC4 钛合金晶粒内部为典型的交叉排列分布的针状马氏体α'。经过β 相区固溶、水冷时效处理后，TC6 钛合金组织中可以观察到棒状或条状α 相，该组织为非平衡态的马氏体α'组织在热处理过程中向平衡态转变并粗化所形成，如图1（d）中箭头标注所示，并且形成的α 相之间具有严格的取向关系。而TC11 钛合金晶粒内部可以观察到由β 组织转变形成的白色次生α 相以及大量细小析出物，如图1（f）所示。

图1 三种钛合金材料的金相组织Fig.1 The metallographic structure of three titanium alloy materials

正是由于组织的精细结构不同，导致三种钛合金的拉伸性能也有明显差异。热处理后三种钛合金的准静态拉伸性能如图2 所示，拉伸强度大小依次为TC4

图2 三种钛合金材料的拉伸性能Fig.2 The tensile properties of three titanium alloy materials

2.2 动态压缩性能

对TC4、TC6、TC11 三种钛合金材料的试样进行应变速率为2 500～3 000 s-1的动态压缩试验，每种材料测试五组数据，获得的动态真应力-应变曲线如图3 所示，TC4 在该应变速率条件下进行压缩，如图3（a）所示，可以观察到真应力-应变曲线存在屈服平台，临界断裂应变（εcr）达到10.6%，压缩过程发生了明显的塑性变形过程，动态压缩强度（σd）为1 519 MPa。TC6 和TC11(图3(b)、(c))的动态压缩曲线都没有出现屈服平台，临界断裂应变分别为3.8%和4.6%，仍然表现出脆性断裂特性，动态压缩强度较TC4 有更大幅度的提高，分别达到1 832 MPa 和1 973 MPa。

图3 三种钛合金材料的动态压缩曲线Fig.3 The tensile properties of three titanium alloy materials

2.3 靶试试验

对TC4、TC6 和TC11 靶板进行靶试测试，每块靶板取两发有效命中，分别观察靶板的正面（迎弹面）和背面的宏观损伤情况，如图4 所示，三种钛合金靶板在被5.8 mm 口径钢芯弹以900～930 m/s、0°入射角的条件侵彻后，均未被穿透，在迎弹面的着弹位置形成了外观形貌不同的弹坑。对比分析弹坑宏观形貌，从图4（a）可以看出，子弹击中TC4 靶板表面后形成椭圆形弹坑，经测量两个弹坑侵入深度约4 mm，如表2 所示，开坑尺寸分别为15.0 mm×11.5 mm 和13.0 mm×14.5 mm，背面可以观察到明显的背凸（图4(d)），而TC6 和TC11 钛合金靶板形成的弹坑尺寸大小明显小于TC4 靶板（图4(b)、（c）），子弹侵入深度仅有3 mm 和2.5 mm，靶板背面有轻微背凸（图4（e）、（f）），表明TC6 和TC11 较TC4 靶板对钢芯弹的侵彻能够起到更好的防护作用。

表2 三种钛合金靶试后弹坑尺寸参数统计Table 2 Statistics of crater size parameters of three titanium alloy targets after test

图4 不同钛合金靶板靶试后正面和背面形貌Fig.4 Front and back surface morphology of different titanium alloy target plates after target test

2.4 分析与讨论

子弹穿透靶板的过程可以分为三个阶段：开坑-扩孔-崩落，如果子弹无法穿透靶板，表明子弹对靶板作用的能量不足以完成这三个阶段，因此靶板在受到高速冲击过程中能够吸收能量的大小，将很大程度上决定材料的抗弹性能。动态压缩曲线表征了材料在高速压缩过程中的压应力和压缩应变的关系，曲线的积分面积可以看作为压缩过程中吸收的能量，因此动态压缩强度σd增大或临界断裂应变εcr增大，都可以使吸收的能量增大，由此可以看出，具有优异抗弹性能的材料应该在保障足够大动态压缩强度σd的同时，还应具有高的临界断裂应变εcr。

文中主要对比了TC4、TC6 和TC11 三种钛合金针对于普通钢芯弹的抗弹性能，相关研究表明[6]，普通钢芯弹由于弹体本身强度不高，会使在击中强度足够高的靶板时，弹丸会破碎或反弹，大幅度降低其侵彻能力，因此，大幅度提高材料强度，是增强对普通钢芯弹防御能力的有效途径。采用β 相区高温固溶+水淬+时效处理后，三种α+β 两相钛合金的拉伸强度都得到了大幅度提升，同时动态压缩强度也达到了较高水平，TC11 钛合金的动态压缩强度σd达到了近2000 MPa，从结果来看，材料的准静态拉伸强度越高，动态压缩强度也越高。

结合三种钛合金靶板在相同厚度条件下对5.8 mm 口径普通钢芯弹的防御效果来看，侵入深度最大的TC4 钛合金为4.1 mm，仅为靶板厚度的三分之一，表明该条件下子弹穿透深度较浅，对靶板的损伤程度小，但是并不表明大于4.1 mm 厚度的靶板便能够起到等效防护作用，残余厚度对靶板的整体防护效果同样起到关键作用。由于三种钛合金靶板的塑性都较差，容易发生脆性剪切断裂，在某个临界厚度条件下，残余厚度一旦不足以抵抗子弹的冲击时，将以冲塞破坏的形式[7]直接被穿透。由此推断，在厚度足够大的条件下，可以近似将材料看作半无限厚，子弹以0°入射角垂直侵入深度越小，材料被穿透的临界厚度将越小，表现为在该条件下的抗弹性能越好。综上分析可以得出，针对普通钢芯弹的防护，材料的动态压缩强度与其抗弹性能存在对应关系，动态压缩强度越高，抗弹性能越好，因此，试验选用的三种α+β 两相钛合金中，TC11 钛合金表现出最优异的抗弹性能。

3 结论

1）TC4、TC6 和TC11 三种α+β 两相钛合金经过固溶时效热处理后，TC11 钛合金的拉伸强度和动态压缩强度最高，分别达到1 258 MPa 和1973 MPa，微观组织可以观察到晶粒内部存在有次生α 相以及大量细小析出物。

2）采用12 mm 厚度的三种钛合金靶板进行靶试测试，对垂直入射的5.8 mm 口径钢芯弹均进行了有效防护，靶板弹坑宏观形貌对比来看，TC6 和TC11 钛合金靶板形成的弹坑尺寸大小明显小于TC4 靶板，对钢芯弹的侵彻有更好的防护作用。

3）针对普通钢芯弹的防护，材料的动态压缩性能与其抗弹性能存在对应关系，动态压缩强度越高，临界断裂应变εcr越大，受冲击过程吸收的能量越多，抗弹性能越好。