Ti-xV(x=2,4,8,16,32)合金动态塑性变形及失稳行为研究

随着装甲与反装甲武器系统减重需求的日益增长，越来越多的研究人员开始关注钛合金的动态性能与变形行为。目前，相关研究主要集中于成熟应用的钛合金，研究体系包含多种合金元素、物相种类以及组织状态，影响钛合金动态力学性能的因素较为复杂。本文从研究合金元素作用的角度出发，在纯钛中引入β稳定元素V，设计二元Ti-xV(x=2，4，8，16，32)合金。随着V含量的增加，合金类型逐渐从近α型过渡到α+β型、亚稳β型、稳定β型，着重探讨由V含量变化导致相结构和合金类型发生改变从而引起的Ti-V系合金动态力学性能、塑性变形机制以及失稳行为的变化规律。 首先，以近α型和α+β型Ti-xV(x=2，4，8)合金为研究对象，探究准静态和动态塑性变形机理。采用MTS万能试验机与分离式霍普金森压杆分别测量材料的准静态与动态应力应变曲线，发现Ti-xV(x=2，4，8)合金具有明显的应变硬化和应变率强化现象，而且V元素具有固溶强化的作用，准静态和动态流变应力均随V含量的增加逐渐提高。对比Ti-xV(x=2，4，8)合金准静态(10?3s?1)与动态(3000s?1)压缩组织的孪生密度，发现随着V含量的增加或应变速率的降低，孪生密度均呈现下降的变化趋势。利用EBSD对变形组织中孪晶的类型进行标定，共识别出三种类型的孪晶分别为{10〓2}、 {11〓2}和{11〓1}。统计压缩组织取向成像图中上述三种类型孪生晶粒的数量并除以总晶粒数以获得孪生晶粒的数量比例。结果表明，一方面，任意类型孪生晶粒所占的比例均随着V含量的增加或应变速率的降低而下降；另一方面，Ti-xV(x=2，4，8)合金的准静态或动态压缩组织中{11〓1}型孪生晶粒的比例远低于另外两种类型孪生，定性地说明{11〓1}型孪生的开动相对较难。 为了定量地分析上述孪生行为，本文借鉴了孪生Schmid因子的计算模型并在原有模型的基础上对Schmid因子的计算方法进行优化。通过一系列的向量运算得到{10〓2}、{11〓2}和{11〓1}型孪生Schmid因子等高线图，结合晶粒的取向信息可知其Schmid因子。无论孪生类型如何，孪生晶粒的Schmid因子普遍高于未孪生晶粒，进而可以得出临界Schmid因子。一方面，{11〓1}型孪生的临界Schmid因子远高于{10〓2}和{11〓2}型孪生；另一方面，随着V含量的增加或者应变速率的降低，临界Schmid因子是逐渐提高的，表现为孪生密度的降低。TEM的观察结果表明，当Ti-xV(x=2，4， 8)合金的孪生变形特征随V含量的增加逐渐消失时，位错滑移机制将取代孪生成为主导的塑性变形机制。 然后，以亚稳β和稳定β型Ti-xV(x=16，32)合金为研究对象，探讨β相稳定程度对β型Ti-V合金动态力学性能及塑性变形机制的影响。对比上述两种合金的力学性能曲线，发现亚稳β型Ti-16V合金具有明显的应变硬化特征，而稳定β型Ti-32V合金的应变率强化现象则较为显著。EBSD和TEM的观察结果表明，Ti-16V合金的准静态与动态塑性变形机制均为应力诱发ω相变且伴随{332}型孪生。对于{332}型孪生行为的分析，将HCP钛晶胞的孪生Schmid因子计算模型应用于BCC晶胞中，计算得出{332}型孪生Schmid因子等高线图。结合晶粒的取向信息，统计得出准静态和动态变形条件下的临界Schmid因子受应变速率的影响并不明显，说明应变速率对Ti-16V合金的孪生行为影响较小。提高V含量至稳定β型Ti-32V合金时，β型Ti-V合金的准静态与动态塑性变形机制均转变为位错滑移机制。 最后，以Ti-xV(x=2，4，8，16，32)合金为研究对象，分析动态剪切失稳行为。利用本文提出的动态剪切装置测量剪切应力，得出剪切变形过程中的最大剪切应力。通过试样表面预制平行划痕剪切变形前后的变化情况测量剪切应变，并结合剪切组织的演变规律确定临界失稳剪切应变，以获得Ti-V系合金在剪切应变率约为10?s?1时的动态剪切失稳临界条件。结果表明，随着V含量的增加，Ti-V系合金的临界失稳剪切应变呈现先下降后上升的变化趋势，其中Ti-2V合金的临界失稳剪切应变最大，约为0.810；最大剪切应力的变化趋势与之相反，以Ti-16V合金的最大剪切应力为最高值，约为557MPa。为了验证和分析该实验结果，建立Johnson-Cook本构方程并耦合绝热温升方程，以计算绝热剪切应力应变曲线。通过单独调整Johnson-Cook本构方程参，数，发现提高应变硬化系数B或热软化系数m可以有效降低绝热剪切倾向性，而且提高参数m的降低效果更为明显。另外，V含量越低，提高参数B或m对绝热剪切倾向性的降低效果越显著。 在本文的结尾部分，基于动态力学性能的测试数据与Johnson-Cook本构方程参数的计算，综合评估具有等轴组织的Ti-xV(x=2，4，8，16，32)合金的动态力学性能，发现α+β型Ti-8V合金的综合动态力学性能最为优良，其余四种Ti-V合金的力学性能各有偏重与不足。 关键词：Ti-V合金；动态性能；变形机制；剪切失稳