冲击波致微结构演化对钛合金力学性能的影响

The application of titanium alloys in weaponry is increasingly widespread. The weaponry must be subjected to intense shock loads during service. However, the shock response characteristics of titanium alloys, especially the effect of microstructure evolution on the mechanical properties of titanium alloys under shock wave loading have not yet been well understood, which restricts the application of these materials in supersonic (or hypersonic) weapon and high performance light weight armor. In this research project, the shock response of the Ti–6Al–4V alloy with different microstructures will be systemically investigated. The effect of shock wave amplitude (pressure) on the postshock quasistatic and dynamic mechanical properties of this alloy will be explored. The optimal microstructure of this alloy which can be best shock-induced strengthened will be found out. The microstructure and texture evolution process of the Ti–6Al–4V alloy shock loaded at different pressure will be revealed. Then the nature of the variation in mechanical properties of this alloy will be clarified through microstructure analyses. The dynamic constitutive equation containing shock wave parameters and microstructure factors of the postshock Ti–6Al–4V alloy will be established. The experimental techniques involving controllable shock loading of metallic materials will also be improved. The influence of microstructure types and details and shock wave pressure on the evolution of mechanical properties and microstructures of titanium alloys is deeply concerned in this research project. After the completion of this research, the theoretical support will be provided for microstructure optimization of titanium alloys used in the extreme loading conditions and design of corresponding structures.

钛合金在武器装备领域的应用日益广泛，在此类服役环境中，材料通常需承受强冲击波的作用。然而对钛合金的冲击波响应特性，尤其是冲击波致微结构演化对其力学性能的影响规律等科学问题认识上的不足，限制了该类材料在(高)超声速武器及高性能轻质防御装甲上的应用。本项目以具有不同组织的Ti–6Al–4V合金为研究对象，探究冲击波幅值(压力)对钛合金准静态及动态力学性能的影响规律，获得冲击波强化效果最佳的组织；揭示Ti–6Al–4V合金微结构及织构随冲击波幅值的演化过程，阐明冲击波致钛合金力学性能变化的材料学本质；构建包含冲击波参数及组织因素的可用于描述冲击波加载后钛合金动态力学行为的本构模型，同时发展对金属材料进行可控冲击波加载的相关实验技术。本课题关注组织类型和细节以及冲击波幅值对钛合金力学性能及微结构演化的影响，研究成果将为应用于极端载荷条件下钛合金的组织优化及相关结构件的设计提供理论支撑。

钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀性强等优点，无疑将在战斗部及轻型防御装甲等军事领域发挥越来越重要的作用。本项目针对与其应用性能紧密相关的冲击波致微结构演化对钛合金力学性能的影响规律这一科学问题开展相关研究。首先设计了可有效保护材料在冲击波加载过程中免受侧向稀疏波及轴向卸载拉伸波影响的可控冲击波加载装置；随后利用该装置及平板撞击实验对三种初生α相含量不同的双态组织和三种α片层厚度不同的层片组织Ti-6Al-4V(TC4)合金进行了一维应变平面正冲击波加载。再加载力学性能测试结果表明，总体而言，双态组织TC4合金的冲击波强化效果优于层片组织合金，且初生α相体积分数高或α片层厚度大的组织表现出了更显著的冲击波强化特性。微结构演化分析结果显示，冲击波加载条件下，TC4合金中的微结构均以平面滑移位错为主，当预冲击应力达到或超过13 GPa时有孪晶形成；高密度微观缺陷的产生是TC4合金冲击强化的主要原因。相较于细窄的板条状α相，尺寸较大的等轴状α相更有利于位错的启动和滑移，故在相同冲击波幅值下，双态组织合金中的位错密度更高，更易形成滑移带或位错簇等结构，这使得双态组织TC4合金的冲击波强化效果更突出。此外，冲击波传播形成的高密度微观缺陷也促进了绝热剪切带(ASB)形成初期的动态回复过程，使得经冲击波加载后的TC4合金在动态再加载过程中更易形成ASB，高密度的ASB增大了其相互作用的概率，进而导致了剪切带栓或剪切带节等特殊结构的形成。本构参数拟合结果表明，J-C本构模型可较好地描述冲击波加载后TC4合金的动态力学行为，但各本构参数随组织细节及冲击波幅值的变化趋势并非简单函数关系。本项目的研究结论对钛合金战斗部侵彻复杂结构及钛合金装甲抗多重打击能力的评估具有重要参考价值，亦可为应用于极端环境的新型钛合金的设计及优化提供科学依据，并在一定程度上加深了人们对金属材料冲击波响应特性的认识。