不同组织Ti6321钛合金在低温高应变速率下的变形和断裂行为

李严星， 王琳，2，3， 闫志维， 安瑞， 周哲， 宁子轩， 程焕武，2， 程兴旺，2

(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)

0 引言

钛及钛合金常作为结构件材料在航空、船舶、海洋工程等领域应用广泛[1-2]，其服役过程经常要面临高应变速率载荷的冲击和不同环境温度的共同作用[3-5]，这类服役条件下材料的力学性能与常规实验(静载荷、常温)测定的结果并不相符，有些差别很大，用常规实验性能指标作为高应变速率和低温条件下使用的钛及钛合金选材和工艺制定的依据将带来不确定性或有出现事故隐患的危险。因此，考虑材料在工程应用中的实际服役条件，开展低温高应变速率下钛合金的动态力学性能实验具有重要意义。

关于钛合金在低温高应变速率下的动态性能，国内外已经进行了部分的研究，Zhang等[6]和Zhang等[7]利用分离式霍普金森拉杆(SHTB)技术对Ti-6.6Al-3.3Mo-1.8Zr-0.29Si钛合金和Ti-5Al-2.5Sn钛合金进行了较宽应变速率范围的低温拉伸实验，结果表明钛合金的低温行为取决于应变速率和温度，初始屈服应力和流变应力随着应变速率的增加和温度的降低而增加。高灵清等[8]探讨了高应变速率和低温对工业纯钛TA2力学性能和变形机制的影响，结果表明在高应变速率和低温的共同作用下，TA2出现脆性，强度增加，塑性大大降低。Li等[9]和Meyers等[10]研究发现随着温度降低超细晶钛的绝热剪切带宽度明显减小，并且剪切带内的再结晶晶粒尺寸也减小，剪切带宽度减小是因为热导率降低、比热容降低和热软化增加的综合效应导致的，晶粒尺寸减小是因为低温下剪切带中较大的局部剪切应变导致更严重的塑性变形使位错密度上升所造成的。

本文所研究的近α型Ti6321钛合金是上海钢铁研究所20世纪80年代研制的一种中强高韧钛合金，其名义成分为Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo，具有良好的耐腐蚀、抗疲劳、耐低温性等优点[11-13]，非常适合作为新型低温材料用于海洋船舶等工业领域[14]。目前对Ti6321钛合金的研究，多集中于常温和高温力学性能[15-17]，而关于低温条件下动态力学性能的研究较少，而船舶材料在海洋环境服役下往往要面临低温和高负载的共同作用，因此有必要对其进行深入研究。本文针对Ti6321钛合金板材，通过不同热处理工艺得到等轴组织、双态组织和魏氏组织，利用改进的SHPB作为加载装置，研究Ti6321钛合金不同组织在低温下的变形和破坏行为，为Ti6321钛合金在低温高应变速率条件下的应用提供实验和理论依据。

1 实验材料与方法

实验所用材料为热轧态 Ti6321钛合金板材，通过淬火金相法测得合金的相变点为992 ℃，通过不同热处理工艺获得不同形态的组织，热处理工艺与预期组织如表1所示。热处理完成后，采用金相显微镜观察组织特征，不同热处理工艺后Ti6321钛合金的微观形貌如图1所示。由图1可知，等轴组织中等轴状的初生α相含量较高，双态组织的初生α相含量较等轴组织有所降低，次生α相和β相的片层组织增加，魏氏组织由相变点以上热处理获得，在粗大的β晶粒内部分布着大量片层状的α相。

表1 Ti6321钛合金热处理工艺及组织状态Table 1 Heat treatment process and microstructures of Ti6321 titanium alloy

图1 热处理后3种组织的微观形貌Fig.1 Microstructures of three alloys after heat treatment

热处理后采用电火花线切割技术加工动态压缩试样，试样采用φ5 mm×5 mm的圆柱样品。低温加载实验在北京理工大学冲击环境材料国防重点实验室进行，实验采用搭配低温实验系统的霍普金森压杆装置，装置图和示意图如图2所示，测试时将原始试样放入SHPB低温液氮测试系统中，分别设定预定温度为-20 ℃和-80 ℃，待温度稳定后持续通入液氮并保温30 min以达到实际服役环境状态，然后通过调节气阀，使应变速率达到Ti6321钛合金的临界断裂应变速率(2 500 s-1)，获得压缩的应力波形图与应力- 应变曲线。加载后回收试样，沿轴向切开，经过打磨、抛光和腐蚀后用于光学和扫描电子显微镜观察，观察和分析不同组织Ti6321钛合金在不同温度加载后的组织演化特征。

图2 低温霍普金森压杆实验系统Fig.2 Test system of the low-temperature Hopkinson pressure bar

2 实验结果与分析

2.1 力学行为研究

图3为应变速率2 500 s-1左右不同组织Ti6321钛合金的压缩真应力- 应变曲线，可以看出3种组织的流变应力均在1 200 MPa以上，且流变应力与加载温度紧密相关，对于同一组织，流变应力随加载温度的降低而增加。

图3 2 500 s-1应变速率下Ti6321钛合金的 压缩真实应力- 应变曲线Fig.3 True compressive stress-strain curves of Ti6321 titanium alloys at the strain rate of 2 500 s-1

表2为3种组织在不同温度加载下的力学性能，从中可以看出，双态组织的流变应力略高于等轴组织，远高于魏氏组织，在不同温度下均比魏氏组织高约100 MPa。温度不仅影响流变应力，还会影响断裂应变，随着温度降低，3种组织的断裂应变整体呈现出减小的趋势，当温度从25 ℃降低到-80 ℃，双态组织和魏氏组织的断裂应变分别由0.197和0.208减小到0.147和0.149，二者的减幅相近，而等轴组织的断裂应变仅从0.186减小至0.161，表明等轴组织在低温下仍具有较好的塑性变形能力。冲击吸收功综合反映了强度和塑性的变化，由冲击吸收功可以看出，随着温度的降低，3种组织的冲击吸收功整体呈现减小的趋势，但等轴组织由于低温下仍具有较高的强度和断裂应变，冲击吸收功呈现不减反增的现象。

表2 不同组织Ti6321钛合金在不同温度 加载下的力学性能Table 2 Mechanical properties of Ti6321 titanium alloys with different microstructures under different temperature loadings

总之，在常温下，双态组织具有较好的强塑性匹配；在低温下，等轴组织具有较高的强度和较好的低温塑性变形能力，表现出较好的低温动态压缩性能，双态组织具有最高的低温抗压强度，魏氏组织的强度和断裂应变均较低。

2.2 微观组织演化

在-80 ℃低温压缩后，3种组织中均出现了与加载方向呈45°的绝热剪切带，靠近绝热剪切带两边的组织向相反的方向塑性流动，形成剪切带周围的影响区，如示意图4(a)所示，影响区的宽度远高于剪切带的宽度，在影响区之外，还存在与加载方向垂直的流变带，如图4(b)所示，等轴组织在加载后出现多条近似平行的流变带(宽度约15～17 μm)，流变带是为了缓解应力晶粒沿变形方向拉长所形成的，因此等轴组织在低温下仍具有较高的应变和较好的塑性协调能力。

图4 3种组织的微观形貌及绝热剪切带Fig.4 Microstructures and adiabatic shear bands of the three alloys

由图4(c)可知，双态组织在压缩后，靠近剪切带附近的部分等轴状的初生α相被拉长，形成了长宽比约7∶1的条状组织，但由于β相和次生α相片层组织对变形的阻碍作用，在双态组织中未形成类似等轴组织中细长的流变带。而次生α相和β相组成的片层组织相对变形较小，仅靠近剪切带周围的片层发生了弯折变形。

由图4(d)可知，魏氏组织在同样应变速率加载后，剪切带端部已经出现裂纹，裂纹穿晶扩展，呈现脆性断裂的特征。魏氏组织的剪切带周围的组织也同样呈现流动现象。

2.3 断裂机制研究

在2 500 s-1应变速率下，3种组织中都观察到了剪切带，试样并未发生断裂，为了对低温压缩后的断口进行研究，提高加载应变速率至3 500 s-1左右。图5为3种组织Ti6321合金在-80 ℃、3 500 s-1应变速率左右的压缩断口形貌，通过断口观察可以发现，其压缩断口均由数量不等的韧窝和剪切面组成，在魏氏组织中还观察到高度不同的解理台阶。

通过对比，3种试样断口中的韧窝数量按照等轴组织、双态组织、魏氏组织的顺序依次递减。并且等轴组织的断口表面韧窝较深且数量较多，可见该组织在断裂前，较多的晶粒发生了较大的塑性变形；双态组织试样中的断口表面，韧窝大小不一，表明其在断裂前发生了不均匀的塑性变形；魏氏组织试样断口中出现多个高低不同的解理面，其周围分布着变形较大的的韧窝和剪切面。

从试样的断口形貌分析表明了在低温高应变速率的服役条件下中，等轴组织具有较好的塑性，双态组织塑性较差，魏氏组织的塑性最差。魏氏组织试样在低温变形过程中经历了明显的解理断裂过程。解理断裂作为一种在正应力条件下发生的穿晶断裂行为，其通常在塑性变形难以继续进行时由于局部应力集中现象导致晶粒沿解理面进行分离，致使微裂纹迅速扩展，从而样品断裂失效。对bcc和hcp结构金属而言，其在低温条件下往往由于位错滑移驱动力较高且应力集中得不到有效缓解时产生解理断裂[18-20]，魏氏组织由于其晶粒粗大且片层组织变形协调能力较差，容易产生解理现象。

3 结论

本文对等轴组织、双态组织和魏氏组织Ti6321钛合金在不同温度压缩载荷作用下的变形和断裂行为进行研究。得出以下主要结论：

1)随着加载温度的降低，3种组织试样的流变应力增加，应变减小。其中等轴组织的应变下降较小，等轴组织在低温下具有较好的强塑性匹配，在低温下应用具有广阔的前景。

图5 Ti6321 钛合金低温压缩断口的微观形貌Fig.5 Micro morphologies of low-temperature compression fracture of Ti6321 titanium alloys

2)等轴和双态组织在压缩后出现剪切带和流变带，魏氏组织在同样应变速率加载后，剪切带内部已经出现裂纹，裂纹穿晶扩展。

3)断裂机制研究表明等轴组织和双态组织表现出典型的韧性断裂特征；魏氏组织断口出现高低不平的解理面，表现出明显的脆性断裂倾向。