α+β 兩相鈦合金的動(dòng)態(tài)壓縮性能對(duì)抗彈性能的影響分析

楊 柳，王 瑩，吳靜怡，劉 昕

（成都先進(jìn)金屬材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院股份有限公司,四川 成都 610300）

0 引言

鈦合金因具有高的比強(qiáng)度，良好的塑性、韌性、抗腐蝕性，加之優(yōu)異的抗彈性能而被用作防護(hù)裝甲材料，其已在M1A2 艾布拉姆斯主戰(zhàn)坦克、M2 布雷德利裝甲運(yùn)兵車上實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用。目前，對(duì)鈦合金材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和抗彈性能的研究，主要以TC4 鈦合金為主。Singh 等[1]的研究表明，α+β 區(qū)鍛造的TC4 鈦合金具有良好的強(qiáng)塑性匹配特征，抗彈性能優(yōu)異。Lee 等[2]研究了TC4 鈦合金雙態(tài)和等軸2 種組織靶板的抗彈性能，結(jié)果表明：雙態(tài)組織的抗彈性能優(yōu)于等軸組織，在雙態(tài)組織靶板中產(chǎn)生的絕熱剪切帶數(shù)量較少并局限于距表面較淺的區(qū)域內(nèi)。Zheng 等[3]研究了微觀組織對(duì)TC4 鈦合金抗彈性能的影響，研究表明：轉(zhuǎn)變?chǔ)?區(qū)上分布著較寬α 片層的雙態(tài)組織具有最好的抗彈性能。Sukumar 等[4]的研究發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)度和硬度明顯高于TC4 鈦合金的β-CEZ鈦合金，抗彈性能卻與之相近。楊凱文等[5]通過α+β 區(qū)鍛造和β 區(qū)鍛造獲得了雙態(tài)組織和片層組織TC21 鈦合金，研究了熱加工工藝對(duì)其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和抗彈性能的影響。筆者以TC4 鈦合金作為基礎(chǔ)材料，選用了強(qiáng)度級(jí)別更高的同類型兩相鈦合金TC6 和TC11 作為對(duì)比材料，進(jìn)行了力學(xué)性能和動(dòng)態(tài)壓縮性能的表征分析，并通過靶試試驗(yàn)，分析了材料性能對(duì)抗彈性能的影響，為抗彈防護(hù)用鈦合金材料組織性能調(diào)控工藝優(yōu)化的制定提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

選用某公司工業(yè)生產(chǎn)的TC4、TC6、TC11 三種α+β 兩相鈦合金熱軋板材（軋制態(tài)）作為動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)和靶試試驗(yàn)材料，TC4、TC6 鈦合金板材原始厚度12 mm，TC11 鈦合金板材原始厚度14 mm，三種鈦合金的化學(xué)成分如表1 所示。DSC 測(cè)試的材料相變溫度分別為983.3 ℃（TC4）、986.1 ℃(TC6)、1 020.9 ℃(TC11)。為了使材料強(qiáng)度得到進(jìn)一步提高，采用β 相區(qū)固溶+時(shí)效的熱處理方式對(duì)材料進(jìn)行強(qiáng)化處理，具體熱處理工藝如下：

表1 三種α+β 兩相鈦合金的化學(xué)成分Table 1 The chemical compositions of materials %

將熱處理后的三種鈦合金板材都加工為100 mm×200 mm 尺寸規(guī)格，TC11 板材厚度機(jī)加工到12 mm，作為靶試試驗(yàn)的靶板。

1.2 試驗(yàn)方法

對(duì)試樣進(jìn)行磨拋處理后進(jìn)行腐蝕，腐蝕液成分為HF∶HNO3∶H2O=1∶3∶16 的混合腐蝕液，浸蝕時(shí)間10～15 s，發(fā)現(xiàn)試樣光亮表面變灰暗后，立即用大量清水和酒精沖洗，隨后采用LEICA DM6000M光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相組織觀察。

采用Instron5569 電子拉伸試驗(yàn)機(jī)，按GB/T 228-2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn)第1 部分：室溫試驗(yàn)方法》對(duì)三種熱處理后的板材沿橫向取樣，進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，獲得抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及伸長率。

在鈦合金板材上沿著厚度方向取?5 mm×5 mm 的圓柱體試樣，進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)。動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)在?14.5 mm 分離式Hopkinson Bar 上進(jìn)行，采用200 mm 撞擊桿，打擊氣壓為3～5 MPa，通過控制打擊氣壓使樣品的應(yīng)變率維持在2 500～3 000 s-1，每組材料測(cè)試獲得至少兩組有效數(shù)據(jù)，計(jì)算獲得試樣在動(dòng)態(tài)軸向壓縮加載條件下的動(dòng)態(tài)真應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

在靶場(chǎng)進(jìn)行靶試試驗(yàn)，采用87 式自動(dòng)步槍和配套的5.8 mm 口徑普通鋼芯彈，子彈初速度為900～930 m/s，射擊條件為100 m 射距、0°入射角，命中靶板且垂直著彈記為有效命中。

2 結(jié)果及分析

2.1 組織與拉伸性能

TC4、TC6、TC11 經(jīng)過β 相區(qū)固溶后水冷時(shí)效處理的金相組織如圖1 所示，可以看出在相變溫度以上加熱保溫時(shí)，組織中的晶粒明顯粗化，可以明顯觀察到保留下來的原始β 晶界，但是由于添加合金類型和含量的差異，導(dǎo)致原始β 粗大晶粒內(nèi)部的亞結(jié)構(gòu)有明顯的差異。從圖1（a）（b）中可以觀察到，TC4 鈦合金晶粒內(nèi)部為典型的交叉排列分布的針狀馬氏體α'。經(jīng)過β 相區(qū)固溶、水冷時(shí)效處理后，TC6 鈦合金組織中可以觀察到棒狀或條狀α 相，該組織為非平衡態(tài)的馬氏體α'組織在熱處理過程中向平衡態(tài)轉(zhuǎn)變并粗化所形成，如圖1（d）中箭頭標(biāo)注所示，并且形成的α 相之間具有嚴(yán)格的取向關(guān)系。而TC11 鈦合金晶粒內(nèi)部可以觀察到由β 組織轉(zhuǎn)變形成的白色次生α 相以及大量細(xì)小析出物，如圖1（f）所示。

圖1 三種鈦合金材料的金相組織Fig.1 The metallographic structure of three titanium alloy materials

正是由于組織的精細(xì)結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致三種鈦合金的拉伸性能也有明顯差異。熱處理后三種鈦合金的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸性能如圖2 所示，拉伸強(qiáng)度大小依次為TC4

圖2 三種鈦合金材料的拉伸性能Fig.2 The tensile properties of three titanium alloy materials

2.2 動(dòng)態(tài)壓縮性能

對(duì)TC4、TC6、TC11 三種鈦合金材料的試樣進(jìn)行應(yīng)變速率為2 500～3 000 s-1的動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)，每種材料測(cè)試五組數(shù)據(jù)，獲得的動(dòng)態(tài)真應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3 所示，TC4 在該應(yīng)變速率條件下進(jìn)行壓縮，如圖3（a）所示，可以觀察到真應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在屈服平臺(tái)，臨界斷裂應(yīng)變（εcr）達(dá)到10.6%，壓縮過程發(fā)生了明顯的塑性變形過程，動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度（σd）為1 519 MPa。TC6 和TC11(圖3(b)、(c))的動(dòng)態(tài)壓縮曲線都沒有出現(xiàn)屈服平臺(tái)，臨界斷裂應(yīng)變分別為3.8%和4.6%，仍然表現(xiàn)出脆性斷裂特性，動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度較TC4 有更大幅度的提高，分別達(dá)到1 832 MPa 和1 973 MPa。

圖3 三種鈦合金材料的動(dòng)態(tài)壓縮曲線Fig.3 The tensile properties of three titanium alloy materials

2.3 靶試試驗(yàn)

對(duì)TC4、TC6 和TC11 靶板進(jìn)行靶試測(cè)試，每塊靶板取兩發(fā)有效命中，分別觀察靶板的正面（迎彈面）和背面的宏觀損傷情況，如圖4 所示，三種鈦合金靶板在被5.8 mm 口徑鋼芯彈以900～930 m/s、0°入射角的條件侵徹后，均未被穿透，在迎彈面的著彈位置形成了外觀形貌不同的彈坑。對(duì)比分析彈坑宏觀形貌，從圖4（a）可以看出，子彈擊中TC4 靶板表面后形成橢圓形彈坑，經(jīng)測(cè)量兩個(gè)彈坑侵入深度約4 mm，如表2 所示，開坑尺寸分別為15.0 mm×11.5 mm 和13.0 mm×14.5 mm，背面可以觀察到明顯的背凸（圖4(d)），而TC6 和TC11 鈦合金靶板形成的彈坑尺寸大小明顯小于TC4 靶板（圖4(b)、（c）），子彈侵入深度僅有3 mm 和2.5 mm，靶板背面有輕微背凸（圖4（e）、（f）），表明TC6 和TC11 較TC4 靶板對(duì)鋼芯彈的侵徹能夠起到更好的防護(hù)作用。

表2 三種鈦合金靶試后彈坑尺寸參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of crater size parameters of three titanium alloy targets after test

圖4 不同鈦合金靶板靶試后正面和背面形貌Fig.4 Front and back surface morphology of different titanium alloy target plates after target test

2.4 分析與討論

子彈穿透靶板的過程可以分為三個(gè)階段：開坑-擴(kuò)孔-崩落，如果子彈無法穿透靶板，表明子彈對(duì)靶板作用的能量不足以完成這三個(gè)階段，因此靶板在受到高速?zèng)_擊過程中能夠吸收能量的大小，將很大程度上決定材料的抗彈性能。動(dòng)態(tài)壓縮曲線表征了材料在高速壓縮過程中的壓應(yīng)力和壓縮應(yīng)變的關(guān)系，曲線的積分面積可以看作為壓縮過程中吸收的能量，因此動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度σd增大或臨界斷裂應(yīng)變?chǔ)與r增大，都可以使吸收的能量增大，由此可以看出，具有優(yōu)異抗彈性能的材料應(yīng)該在保障足夠大動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度σd的同時(shí)，還應(yīng)具有高的臨界斷裂應(yīng)變?chǔ)與r。

文中主要對(duì)比了TC4、TC6 和TC11 三種鈦合金針對(duì)于普通鋼芯彈的抗彈性能，相關(guān)研究表明[6]，普通鋼芯彈由于彈體本身強(qiáng)度不高，會(huì)使在擊中強(qiáng)度足夠高的靶板時(shí)，彈丸會(huì)破碎或反彈，大幅度降低其侵徹能力，因此，大幅度提高材料強(qiáng)度，是增強(qiáng)對(duì)普通鋼芯彈防御能力的有效途徑。采用β 相區(qū)高溫固溶+水淬+時(shí)效處理后，三種α+β 兩相鈦合金的拉伸強(qiáng)度都得到了大幅度提升，同時(shí)動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度也達(dá)到了較高水平，TC11 鈦合金的動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度σd達(dá)到了近2000 MPa，從結(jié)果來看，材料的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸強(qiáng)度越高，動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度也越高。

結(jié)合三種鈦合金靶板在相同厚度條件下對(duì)5.8 mm 口徑普通鋼芯彈的防御效果來看，侵入深度最大的TC4 鈦合金為4.1 mm，僅為靶板厚度的三分之一，表明該條件下子彈穿透深度較淺，對(duì)靶板的損傷程度小，但是并不表明大于4.1 mm 厚度的靶板便能夠起到等效防護(hù)作用，殘余厚度對(duì)靶板的整體防護(hù)效果同樣起到關(guān)鍵作用。由于三種鈦合金靶板的塑性都較差，容易發(fā)生脆性剪切斷裂，在某個(gè)臨界厚度條件下，殘余厚度一旦不足以抵抗子彈的沖擊時(shí)，將以沖塞破壞的形式[7]直接被穿透。由此推斷，在厚度足夠大的條件下，可以近似將材料看作半無限厚，子彈以0°入射角垂直侵入深度越小，材料被穿透的臨界厚度將越小，表現(xiàn)為在該條件下的抗彈性能越好。綜上分析可以得出，針對(duì)普通鋼芯彈的防護(hù)，材料的動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度與其抗彈性能存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度越高，抗彈性能越好，因此，試驗(yàn)選用的三種α+β 兩相鈦合金中，TC11 鈦合金表現(xiàn)出最優(yōu)異的抗彈性能。

3 結(jié)論

1）TC4、TC6 和TC11 三種α+β 兩相鈦合金經(jīng)過固溶時(shí)效熱處理后，TC11 鈦合金的拉伸強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度最高，分別達(dá)到1 258 MPa 和1973 MPa，微觀組織可以觀察到晶粒內(nèi)部存在有次生α 相以及大量細(xì)小析出物。

2）采用12 mm 厚度的三種鈦合金靶板進(jìn)行靶試測(cè)試，對(duì)垂直入射的5.8 mm 口徑鋼芯彈均進(jìn)行了有效防護(hù)，靶板彈坑宏觀形貌對(duì)比來看，TC6 和TC11 鈦合金靶板形成的彈坑尺寸大小明顯小于TC4 靶板，對(duì)鋼芯彈的侵徹有更好的防護(hù)作用。

3）針對(duì)普通鋼芯彈的防護(hù)，材料的動(dòng)態(tài)壓縮性能與其抗彈性能存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度越高，臨界斷裂應(yīng)變?chǔ)與r越大，受沖擊過程吸收的能量越多，抗彈性能越好。