钛合金动态力学性能与抗弹性能关系研究

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本文以钛合金在装甲材料领域的应用为目的,建立钛合金动态力学性能与抗弹性能间的联系。选取α、α+β和近β三种类型不同牌号钛合金进行准静态压缩、分离式霍普金森压杆(SHPB)和靶试实验,通过光学显微镜和扫描电子显微镜对实验后回收试样宏观形貌、显微组织及绝热剪切带(ASB)进行观察,主要研究结果如下:首先,通过SHPB实验得到经过不同热处理制度处理后的α型TA7和TA11合金、α+β两相型TC4合金、近β型Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr、Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Fe、 Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr和TC18在1500s-1-5000s-1应变率范围单轴压缩条件下的动态变形行为。SHPB实验回收试样宏观形貌显示,试样在破坏加载条件下沿与压缩轴呈45。剪切应力最大的方向发生破坏,为绝热剪切失效。失效试样破坏断面包括以平滑表面为特征的剪切断裂区和以抛物线状韧窝为特征的拉伸断裂区。真应力-应变曲线类型,TA7、TA11和TC4合金为应变硬化型,四种近β型合金为热软化型;合金冲击吸收功最大值递减排序为:4900s-1应变率加载时Ti-55531Zr合金,4800s1应变率加载时Ti-55531Fe合金,4000s-1应变率加载时TA7、Ti-5553、 TC18、TA11和TC4合金。TA7合金SHPB实验回收试样在光学显微镜下未观察到ASB, TA11合金ASB扩展路径曲折,其余合金ASB基本与圆柱试样轴线呈45。方向,与失效裂纹方向一致,合金ASB宽度范围在1-30μm。拟合TA7和TC18合金Johnson-Cook本构方程,结合现有研究中TC4合金的本构方程,三种合金应变速率强化系数C值相近且为10-2量级,应变率对合金流变应力的影响较小:TA7合金应变硬化系数B和应变硬化指数n值最大,与应变硬化型真应力-应变曲线相对应。然后,依据SHPB实验结果,考虑冲击吸收功和真应力-应变曲线类型因素,选取TA7、TC4、Ti-55531Zr(高强/高韧)和TC18四种合金,测试合金8mm厚靶板抗7.62mm口径穿甲燃烧弹零度角撞击时的抗弹性能,观察靶板破坏行为。合金V50递减排序为:TA7合金406m/s,高韧Ti-55531Zr合金390m/s, TC18合金370m/s,高强Ti-55531Zr合金330m/s, TC4合金308m/s。合金靶板的破坏形式:TA7和高韧Ti-55531Zr合金主要为花瓣型破坏,高强Ti-55531Zr和TC4合金主要为挤凿型破坏,TC18合金表现为层裂型和孔口扩展型两种破坏形式。TA7靶板弹孔周围在光学显微镜下除裂纹外未发现ASB,这与合金SHPB实验中试样未观察到ASB相一致;高韧Ti-55531Zr、TC4和TC18合金靶板弹孔周围存在裂纹和大量ASB,且裂纹尖端大部分分布在ASB内部,裂纹与ASB交替出现在一条ASB内,表明ASB是裂纹萌生和扩展的优选位置。最后,合金动态力学性能与抗弹性能间联系为:α型TA7合金抗弹性能最优,其次为近β型高强高韧Ti-55531Zr和TC18合金,最后为α+β两相型TC4合金;真应力-应变曲线为应变硬化型TA7和TC4合金,冲击吸收功最大值分别为560MJ/m3和315MJ/m3,对应V50分别为406m/s和308m/s;真应力-应变曲线为热软化型,冲击吸收功最大值分别为700MJ/m3、550MJ/m3和340MJ/m3的高韧Ti-55531Zr合金、TC18合金和高强Ti-55531Zr合金,Vs0值分别为390m/s,370m/s和330m/s,表明合金曲线类型相同时,冲击吸收功越高,合金抗弹性能越好。
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