再结晶组织对TA2纯钛绝热剪切行为的影响_胡力.pdf

DOI：10.11883/bzycj-2021-0529再结晶组织对 TA2 纯钛绝热剪切行为的影响*胡力，刘龙飞，王旭，杨智程，吴志强（湖南科技大学材料科学与工程学院，湖南湘潭411201）摘要：使用二辊轧机对 TA2 工业纯钛进行多道次大应变冷轧处理，制备了冷轧总变形量为 70%的 TA2 纯钛板。通过对冷轧 TA2 纯钛板进行 500 加热、不同保温时间的退火处理，获得了具有不同再结晶组织的钛板。基于帽形试样和限位环变形控制技术，在分离式霍普金森压杆装置上对不同再结晶组织的试样进行动态冲击冻结实验，结合光学显微镜和扫描电子显微镜表征试样冲击前后微观组织的变化，研究了再结晶组织对 TA2 纯钛绝热剪切行为的影响。结果表明，随着退火保温时间的延长，试样再结晶晶粒占比逐渐增大，晶粒分布由分散向局部聚集转变；在相同应变和应变率下，在所有试样中都观察到了绝热剪切带，再结晶晶粒占比高的试样更易诱发绝热剪切带中裂纹形核扩展。对比变形前后试样再结晶组织和几何必需位错变化，结合剪切区整体温升分析发现，再结晶晶粒作为材料软化点能够诱发剪切带的形成，而剪切带发展后期产生的绝热温升会促进剪切带内材料发生二次再结晶，提高剪切带内材料的韧性，延缓剪切裂纹的形成。关键词：TA2 纯钛；再结晶；帽形试样；绝热剪切中图分类号：O347.3国标学科代码：13015文献标志码：AEffects of recrystallized structures on adiabatic shear behaviorsof TA2 pure titaniumHULi,LIULongfei,WANGXu,YANGZhicheng,WUZhiqiang(School of Materials Science and Engineering,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,Hunan,China)Abstract:Adiabaticshearisacommonformofdeformationandfailureofmaterialsunderhigh-speedimpactloading.Itgenerallyexistsinhigh-speeddeformationprocessessuchashigh-speedimpact,stampingforming,projectilepenetration,high-speedcutting,andexplosivecrushing.ATA2puretitaniumplatewithatotaldeformationof70%wasobtainedbymulti-passlargestraincoldrollingonatwo-highmill.ByheatingcoldrolledTA2puretitaniumplatesat500andannealingatvarying holding times,titanium plates with different recrystallization structures were produced.Based on a hat-shapedspecimen and a limit-ring deformation control approach,dynamic impact freezing experiments were carried out on thespecimenswithdifferentrecrystallizedstructuresbyusingasplitHopkinsonpressurebar.Themicrostructurechangesofthespecimensbeforeandafterimpactwerecharacterizedbyusinganopticalmicroscopeandascanningelectronmicroscope.TheeffectsofrecrystallizedstructuresonadiabaticshearbehaviorsofTA2puretitaniumwerestudied,showingthatwiththeincrease of annealing holding time,the proportion of recrystallized grains increases gradually,and the grain distributionchangesfromdispersiontolocalaggregation.Underthesamestrainandstrainrate,adiabaticshearbandswereobservedinallspecimens.The specimens with high proportion of recrystallized grains are more likely to induce crack nucleation andpropagationinadiabaticshearbands.Thechangesofrecrystallizationstructuresandgeometricnecessarydislocationsbeforeand after deformation were compared.Combined with the analysis of the overall temperature rise in the shear area,therecrystallizedgrainasthematerialsofteningzonecaninducetheformationofshearband.Theadiabatictemperatureriseeffect*收稿日期：2021-12-27；修回日期：2022-05-15 基金项目：国家自然科学基金（11772127,51704112）第一作者：胡力（1996），男，硕士研究生， 通信作者：刘龙飞（1975），男，博士，教授，第43卷第1期爆炸与冲击Vol.43,No.12023年1月EXPLOSIONANDSHOCKWAVESJan.,2023013104-1mainlyoccursinthelaterstageofthedevelopmentofshearband,whichpromotesthesecondaryrecrystallizationofmaterialsintheshearband,improvesthetoughnessofmaterialsintheshearbandanddelaystheformationofshearcracks.Keywords:TA2puretitanium;recrystallization;hat-shapedspecimen;adiabaticshear钛及钛合金具有高强度、低密度、耐腐蚀和耐高温等特点1，广泛应用于航空航天、军工和汽车工业等多个领域，研究其在冲击载荷下的塑性变形机理具有重要的科学意义和工程参考价值。由于钛及钛合金具有高的强度和较低的热传导率2-4，在高应变率下的塑性变形极易发生局部化，形成剪切带，常被作为研究绝热剪切带（adiabaticshearband,ASB）形成机制的模型材料。自从 Tresca 在锤击后的钢丝表面观察到 X 状的白色变形带5以来，材料在冲击载荷下的绝热剪切行为及剪切带形成机理受到众多学者的关注6-12。一直以来，高应变率塑性变形过程中绝热温升引起的软化效应被认为是材料发生局部热塑失稳，形成剪切带的主要原因13。近年来，随着实验技术的发展，使高应变率下材料宏观应力应变对应微观结构和温度变化的同步实时测量成为可能6,14-18。Guo 等19、Zhu 等20和 Guo 等21在分离式霍普金森压杆（splitHopkinsonpressurebar,SHPB）装置上利用高速摄像机和红外温度探测器对纯钛在高应变率下剪切带的形成及其演化过程中的变形和温度进行同步观测，发现在剪切带形成之前温升较低，不足以形成明显的应力崩塌，而大的温升出现在 ASB 形成之后。此外，Rittel 等22-23、Osovski 等24-25和 Rittel 等26通过预加载和限制应变等方法对试样进行多次冲击变形，认为镁合金、钛合金和钨合金中温升导致的热软化不是绝热剪切局部化发生的主导因素。以上研究表明，材料发生塑性变形局部化之前由绝热温升导致的热软化可能不是 ASB 形成的主要原因，变形过程中材料微观组织结构的变化及其不均匀发展才可能是 ASB 形成的主要诱因。基于实验观察，Rittle 等提出了诱发剪切带形成的动态再结晶模型23,25，认为在 ASB 形成之前，高应变率塑性变形诱发动态再结晶，形成的无缺陷再结晶晶粒使材料发生局部软化，导致变形局部化的形核及 ASB 的形成。然而，再结晶行为究竟怎样影响材料变形局部化特征，该影响的细观动力学规律如何，还很不清楚。本文中，通过将深度轧制后的 TA2 纯钛板进行退火处理，得到具有不同再结晶组织的 TA2 纯钛板；结合扁平帽形试样，利用 SHPB 装置和限位环技术对帽形试样进行动态冲击实验，冻结并回收变形后的试样；结合材料微观组织分析技术，研究再结晶组织对材料绝热剪切行为的影响。1 实验实验原材料为 150mm100mm10mm 的 TA2 工业纯钛板。首先，将钛板在箱式电阻炉中进行均匀化退火处理，退火温度为 700，退火保温时间为 120min。然后，使用二辊轧机在室温下以每道次 0.30.5mm 的压下量将 TA2 工业纯钛板轧至 3mm，轧制总变形量为 70%，冷轧存储的变形能将为后续再结晶提供驱动力。为了得到不同再结晶组织，将轧制后的钛板分别在箱式电阻炉内加热到 500 进行退火处理，根据 TA2 纯钛的再结晶动力学曲线分别设置退火保温时间为 20、40、90 和 120min，空冷至室温，得到由变形组织与再结晶组织构成的不同再结晶程度的钛板。高应变率实验在 SHPB 装置上进行，如图 1(a)所示。样品设计为扁平开口帽形试样，冲击加载方向为板材的轧制方向，不同再结晶组织试样具有相同的尺寸和冲击加载方向，限位环由高强模具钢制成，如图 1(b)所示。实验时，将不同再结晶组织试样放置在相同尺寸的限位环中，使得试样剪切变形区域在剪切应力作用下发生相同的剪切变形，每组试样在相同条件下均重复 5 次实验，重复性相对较好。基于SHPB 装置实验原理，并结合试样形状和尺寸，通过将帽形试样的变形过程近似等效为简单剪切变形27，计算试样的剪切应力和剪切应变：(t)=F(t)A=AbarEbart(t)2h(1)=Dw=2c0t0r(t)dtw(2)第43卷胡力，等：再结晶组织对TA2纯钛绝热剪切行为的影响第1期013104-2F(t)AAbarEbart(t)hDwc0r(t)式中：为压缩载荷，为预制剪切区剪切面积，为压杆横截面面积，为压杆弹性模量，为压杆透射波，为扁平帽形试样厚度，为预制剪切区长度，为压缩位移，为预制剪切区剪切宽度，为压杆中弹性波速，为压杆反射波。回收实验冻结试样，通过振动抛光的方法对试样表面进行处理，使用光学显微（opticalmicroscope,OM）和扫描电子显微镜（scanningelectronmicroscope,SEM）观察，并结合电子背散射衍射（electronbackscatterdiffraction,EBSD）技术，获取试样的剪切带形貌和晶体学信息。2 结果与讨论2.1 再结晶组织进行冲击实验前，对 TA2 冷轧钛板在 500 条件下退火保温 20、40、90 和 120min 的原始组织进行观察，结果如图 2 所示。在经过保温 20min 退火处理后，材料中已出现再结晶的形核并形成了细小再结晶晶粒，如图 2(