轧制钛板初始位错界面对绝热剪切带及动态再结晶的影响机理

In the proposal, we will select commercial purity (CP) titanium plate as a model material. Then we will prepare different deformation structure in the CP-Ti by using conventional rolling deformation and accumulative roll-bonding severe deformation method, such as dislocation cell structure, geometrically necessary dislocation boundaries and lamellar boundaries. For the CP-Ti plate with different dislocation structure, various type of impacted crater state such as convex and perforation state will be formed by using different shape of projectile head, e.g.ball, round and flat head. The microstructure and local crystal orientation in adiabatic shear band(ASB) and adjacent matrix, as well as the dynamic recrystallization behavior within the ASB were investigated by using EBSD fixed point observation method. The works will be focued on the evolution of initial dislocation boundaries. Further more, through the TEM image analysis in the area of fixed point analized in EBSD specimen, we will clarify the fine structure of ASBs and mattrix boundaries, that is the influence of initial different dislocation boundary structure on the formation of the ASB, e.g. whether the dislocation boundary will trigger or obstacle the formation of ASB, as well as the influence of dislocation boundary on the dyanmic recrystallization behavior. We will present sound experimental and theoretical evidence to clarify the evolution of initial deformation boundary during high speed impact deformation, and to explore the potential application prospect for high strength CP-Ti plate manufactured by severe plastic deformation.

本课题以工业纯钛为模型材料，采用常规轧制变形与累积叠轧大塑性变形方法制备具有不同位错界面结构，即位错胞结构、几何位错界面结构、薄片状位错界面结构的钛板材，通过不同速率及不同弹型的实弹打靶实验条件，制备不同的弹坑状态，如侵彻状态、穿孔状态，研究弹坑周围绝热剪切带的形成机理及其动态再结晶行为的微观机理。采用EBSD定点观察绝热剪切带及邻近基体的微结构及微区晶体学取向特征、剪切带内动态再结晶行为，阐明不同类型初始位错界面在高应变速率与局部瞬态绝热环境中的界面结构变化特征。同时，对EBSD试样进行定点制备薄膜试样，用TEM像及菊池衍射方法研究剪切带与基体的界面结构及取向关系，揭示界面诱发或阻碍绝热剪切带的形成规律、及界面对原位动态再结晶行为的影响机制，阐明初始形变位错结构在高速形变过程中的演变规律、揭示亚微米尺度的组织结构在高速冲击过程中的演变规律，为大变形强化纯钛板材在冲击领域中的应用提供依据。

本课题以工业纯钛为密排六方结构金属的模型材料利用霍普金森压杆技术和弹道模拟系统实现材料的高速形变，从而研究初始位错界面结构对绝热剪切带及动态再结晶的影响机理。对深入理解高速冲击变形过程中位错响应的内在本质、丰富位错理论具有一定的科学研究意义。利用霍普金森压杆技术实现动态压缩时，对于无位错界面结构的工业纯钛高速形变机制为位错滑移，孪生和绝热剪切，其绝热剪切带的产生可划分为等轴态、孪晶协调变形、均匀变形、剪切区域亚晶、剪切区域动态再结晶和冲击裂纹六个阶段，这是绝热温升与形变组织相互作用的结果。建立了无位错界面结构工业纯钛的高速形变特征微结构的演化模型，并推出孪晶密度与应变和应变速率的函数关系。通过控制冷轧总变形量为25%、50%、70%和ARB 4个循环(等效变形95%）累计叠轧分别制备出具有空间间距为550 nm、340 nm、107 nm和100 nm的几何必须位错界面的工业纯钛板材。几何必须位错界面间距越窄，动态抗压强度越大，塑性变形功越大，绝热温升越大，越易发生绝热剪切。压缩载荷平行于GNB界面方向时，出现了与初始界面交截的新生位错界面；载荷方向垂直于GNB界面方向时，GNB位错界面间距变窄。利用弹道模拟系统实现板靶材的侵彻时，以无位错界面工业纯钛为研究对象，射弹体类型主要影响绝热剪切带的走向，其走向的差异源于射弹体冲击靶材造成的应力分布。冲击速率从 608 m s-1 增加到 948 m s-1，绝热剪切带的宽度从 28.18 μm 增加至 54.01 μm，形成的绝热剪切带平均间距从514.73 μm 降低至323.06 μm，位错界面间距从0.7 μm减小到0.23 μm。离弹坑中心越近，弹坑侧壁亚结构依次呈现为原始位错界面结构，与原始位错界面结构相互交截的几何必需位错界面结构，较窄间距的几何必需位错界面结构且存在少量亚晶和动态再结晶晶粒。位错界面、亚晶和动态再结晶的演化特征是联系单轴高速动态压缩和弹丸侵彻系统参数的桥梁。最终，建立了涵盖初始组织、形变速率和绝热温升的弹坑侧壁内绝热剪切带形貌及亚结构分布模型。