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微观组织对Ti-6Al-4V钛合金动态力学性能和抗弹性能影响规律的研究

郑超  
【摘要】:钛合金优异的抗弹性能使得其在装甲防护领域有着很大的应用潜力,基于此,本论文对Ti-6Al-4V钛合金开展了一系列动态压缩实验和终点弹道侵彻实验,并采用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等对承载后的材料进行微观分析,研究了三种典型微观组织的钛合金在不同变形阶段的变形特征;并通过对双态组织Ti-6Al-4V钛合金中等轴α相、转变β区比例和次生片层α相的精细调控和对Ti-6Al-4V钛合金的复合防护结构的设计,优化了Ti-6Al-4V钛合金及其复合防护结构的抗弹性能。主要创新点如下:建立了钛合金中绝热剪切带萌生、扩展和损伤断裂行为的研究方法,分析了三种典型微观组织钛合金对其动态压缩性能的影响规律,阐明了等轴组织钛合金较高的断裂应变,是和其绝热剪切带所具有的难萌生慢扩展和带内微裂纹的慢增长特性有关的;双态组织钛合金,其绝热剪切带的萌生扩展和带内微裂纹的增长均高于等轴组织,但远低于片层组织,这使得其仍具有较高的断裂应变。提出了钛合金靶板失效呈现出的两种模式,即等轴组织和双态组织的“开坑崩落+塑性扩孔+分层崩落”模式和片层组织的“开坑崩落+塑性扩孔+破碎崩落”模式;与等轴组织相比,双态组织钛合金较优异的抗弹性能是和其较强的抗开坑能力(动态硬度约为5.95 GPa)和较小的背部崩落破坏特征(深度约为4mm,宽度约为5 mm)有关的。探明了双态组织Ti-6Al-4V钛合金中的初生等轴α相尺寸、转变β区比例和次生片层α相宽度是影响其抗弹性能的三个主控因素;建立了三个主控因素的调控方法,获得了防护系数高达1.56的双态组织BW,并确定了其热加工工艺和热处理制度:在950-980℃开胚热锻后,通过800℃保温2小时加空冷退火,以获得大小约为10 um的初生等轴α相;再在970℃保温1小时加水冷固溶,以最终获得转变β区比例约为75%,次生片层α相宽度约为0.75 um的双态组织。“钛合金/钛合金”复合结构中层间宏观界面减小了面板钛合金背部约束,显著降低了复合靶板的抗弹性能;而采用具有“低阻抗/高阻抗”匹配特征的“钛合金/装甲钢”复合结构中,背板装甲钢反射的压缩波增强了对面板钛合金的约束支撑,有效抑制了钛合金背板剪切崩落破坏,较“高阻抗/低阻抗”的“装甲钢/钛合金”复合结构抗弹性能提高49%;等轴组织、片层组织和双态组织钛合金和装甲钢构成的“钛合金/装甲钢”复合结构中,等轴组织钛合金表现出最为优异的抗弹性能,其原因在于背板装甲钢使得等轴组织钛合金背部崩落破坏向剪切变形区转变最为显著,同时使得等轴钛合金的动态硬度提高9%,提高了其抗开坑能力。


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