TC21钛合金应变率相关拉伸性能、断裂特征及变形机制综合研究——系统分析静动态加载下强度、塑性变化规律，结合断口形貌与微观组织演变，明确位错运动、界面协调变形及织构演化在不同应变率区间的贡献差异

TC21钛合金是由西北有色金属研究院自主研制的一种具有高强度、高断裂韧性和低裂纹扩展速率等特点的损伤容限型α+β 两相钛合金。主要用于航空航天领域，如制造飞机的机翼接头结构件、机身与起落架连接框等关键承力部件，也可用于船舶制造、能源等领域。由于钛合金的优异性能，近些年来同样在兵器领域也得到广泛应用，在服役过程中，会受到高应变率的动态载荷。

经过大量的研究表明，材料的力学性能与其加载时应变率存在一定关系，根据应变率的大小，一般对加载状态进行划分：

应变率<10^-3s^-1时，属于静态或准静态加载范围，此状态下应变率效应几乎可以忽略不计；应变率＞10^-3s^-1时，属于动态加载范围，此时需要考虑材料的应变率效应。

静态或准静态载荷作用时，其关键特征是结构内部每个微单元的合力近似为零，变形均匀且缓慢，不存在明显的能量累积与瞬时传递效应。而动态载荷作用下变形以高速向内部传播，结构无法维持瞬时静态平衡，内部微单元存在显著的合力差，变形呈现“递进式扩散”特征，应力以弹性波、塑性波等形式在材料内部传递[1-5]。

目前对动态加载研究较多的是动态压缩，在应变率10² s^-1-10⁴ s^-1条件下采用最多的设备为分离式Hopkinson 压杆装置。变形机制不仅包含塑性流动，还可能涉及动态回复、动态再结晶等与时间相关的微观过程，极端情况下甚至会出现绝热剪切带等瞬时失效现象。

动态压缩加载下，钛合金的屈服强度随着应变率的升高显著增大。魏继锋等人[6]采用Q355ND 钢在应变率为0.001-4100 s^-1的范围内对进行室温准静态和动态拉伸实验，同样发现随着应变速率的增加，Q355ND 钢的屈服强度显著提高。

除此之外，Fe-26Mn-10.2Al-0.98C-0.15V 钢韧窝会随着应变率的增加而变浅变小，合金的断裂机制也逐渐向脆性断裂转变[7]。以上情况在钛合金中同样存在，钛合金TC21钛合金的动态拉伸力学行为具备应变率-温度敏感特性，其初始屈服应力随应变率增加而增大，随温度升高而减小，通过引入2个敏感度系数修正TC21钛合金率-热相关性的本构行为[8]。高温试验条件下，TC21钛合金的拉伸力学行为存在显著的温度和应变速率相关性，并且在拉伸变形过程中未出现绝热剪切带和形变孪晶[9]。进行SHPB（霍普金森压杆）加载和SHTB（霍普金森拉杆）加载均会使Ti-5553 合金发生应力诱发马氏体相变；Ti-5553 合金在SHPB 加载发生应力诱发马氏体相变之后再进行SHTB 加载时，发生应力诱发马氏体相变的能力受到抑制[10]。

钢、铝合金等发展较早，动静态性能均有大量的研究，而针对钛合金在准静态和动态拉伸的演变缺少基础的规律特征对比。本文主要采用不同应变速率下拉伸试验研究TC21钛合金断裂行为。

1、试验

试验用规格为Φ410mm 的TC21合金为棒材，经热处理后组织为双态组织，等轴初生α 相(αp)+转变β 区组成，其中转变β 区包括残余β 相及片层状次生α 相(αs)构成。室温静态拉伸试验在Instron 5982 型电子万能试验机上进行，试验的应变速率分别为0.1，0.01，0.001 s^-1。室温动态拉伸试验在分离式Hopkinson拉杆系统上进行，试验的应变速率分别为1 000，2 000，3 000 s^-1。图1 为TC21 合金—双态组织。

图2 为动态拉伸试验件尺寸。试验用试样台阶试样，保证在高应变率加载条件下结果有效。

Hopkinson 拉杆系统用于材料动力拉伸力学性能的测试。其装置与压杆类似，也包括气室，子弹，入射杆，透射杆及能量吸收装置，示意图如图1~3 所示。与压杆装置不同之处在于，拉杆装置的子弹为一个套管，入射杆远离试样一端设计为带凸台的结构，子弹在气室压力作用下以一定速度撞击入射杆凸台，从而在入射杆中产生一列拉伸应力波向试样传播，并对试样施加动态拉伸载荷。

试验前，并将准备好的试样安装在Hopkinson 拉杆装置上，通过调节子弹长度和气压大小来实现不同应变率的加载。

2、结果与分析

假设动态性能遵循一维弹性波传播理论，位移和应变之间关系式：

式中：u 为变形量；x 为原始长度；C0为波速；t 为时间。

在试验与压杆接触的2 个端面A、B 上应用上式，考虑应力波的叠加有：

式中：εI为入射波应变；εR为反射波应变；εT为透射波应变。所以试样的应变可以得到：

在忽略试样内部的波的传播效应的假设下，通过短试样的应力是常量，则：

带入到(7)式可以得到应变：

应变率和应力由下式得出：

式中：E 为杆子的弹性模量；SI为试样长度；A为输入杆截面积；As为试样截面积。

动态拉伸试验按照以上对试验结果进行处理，静态拉伸试验结果由软件自动报出。表1 为不同应变率下试验结果。

表1 不同应变率下试验结果

Table 1 Test Results at Different strain rates

图4 为静态拉伸试验结果。在静态加载条件下，随着应变率的提升，材料的抗拉强度及屈服强度呈增长趋势，抗拉强度由1049MPa 提高到1087MPa，提升约40MPa，屈服强度由842 MPa 提高到906 MPa，提升约60MPa，但相应的延伸率基本无明显变化。通过试验曲线可以看出，整体塑性较高，有明显的均匀塑性变形阶段。

图5 为动态拉伸试验结果。在动态加载条件下，同样抗拉强度与应变率成正相关性。3000 应变率下强度达到1671MPa，相比于静态强度，提高约600MPa。但延伸率均在0.2%以下，基本不存在均匀塑性变形，快速扩展断裂。

图6 为不同应变速率下断裂宏观形貌。随着应变速率的增加，静态拉伸断口整体包含纤维区、放射区和剪切唇区。在应变率为0.001s-1和0.01s-1时纤维区占比较大，超过50%，其次为剪切唇区，放射区面积较小。在应变率0.1s-1时纤维区占比降低，纤维区面积增加。

图7 为不同应变速率下断裂微观特征(1000 倍)。而动态拉伸断口以放射区为主，纤维区以及剪切唇区占比较少，断面由整体平坦(1000 s-1)逐渐向多条扩展棱过渡。由静态到动态断裂特征的变化可以看出，随着应变速率的增加，钛合金表现出从韧性断裂相脆性断裂的趋势。

为不同应变速率下断口组织特征。在高倍组织特征中，以韧窝断裂为主，断裂特征仍属于韧性断裂特征，随着应变速率的增加，断裂韧窝尺寸增大；

动态拉伸相比于静态，断裂韧窝尺寸更大，且韧窝均较浅。

静态拉伸断口附近裂纹扩展路径曲折，存在较多与正应力加载垂直的平面，由于初生α 相和β 相区硬度不同，在断裂过程中优先在等轴初生α 相和转变β区界面处形成微孔，随后长大联通，形成微裂纹。而动态拉伸断口与加载方向呈45°，除了在初生α 相和转变β 区界面处形成微孔外，还在等轴初生α 相内部形成微孔，缩短了不同微孔之间的距离，在加载过程易微孔聚集，生成微裂纹。

3、变形与强化机制

静态拉伸由于变形速率较慢，加载过程中使变形能够充分扩散，变形机制以位错缓慢运动+双相协调形变为主。由于转变β 区包括残余β 相及片层状次生α 相(αs)，片层状α/β 组织因界面约束，初始变形阻力更高，大部分形变均由α承担，α 相的滑移系更易激活，因此位错在α 相内以滑移为主。当运动至α/β 相界面时，通过剪切传递方式穿过界面，在β 基体中激活新的滑移系，其中α 片层不易断裂，通过弯曲、滑移可以进一步协调变形[11-14]。

而高应变加载时，双态组织的变形机制呈现“位错塞积+织构增强”的耦合特征。高应变率下，位错滑移速率显著提升，且沿拉伸方向定向运动，首先在等轴α 晶粒内部，由于滑移系启动受限，位错在晶内滑移带末端或亚晶界处大量堆积。

在α/β 相界面，α（hcp）与 β（bcc）晶体结构差异大，作为主要的位错障碍，位错从 α 滑移至 β 需跨越界面，在界面处形成位错塞积群，局部应变硬化率显著提升。同时塞积群产生长程内应力，显著提升临界分解切应力。宏观表现为材料强度提升。

另外织构起到了重要作用。动态拉伸中快速形成B/T 型织构[15]，α 相沿受力方向定向排列成“链状”结构。α 相由初始球状拉长，平行于加载方向与β 基体形成链状结构（图8），变形传递过程中，可以将载荷高效传递至β 基体；有研究表明织构强化使α 相的应力承载占比从准静态的40%提升至60%[16-21]，成为动态拉伸的核心强化路径。因此，同种材料在高应变率条件下，强度会有显著提升。实际本研究中TC21钛合金动态强度与静态相比，强度平均提升约53.4%。

相关的研究中也发现，除了以上应变强化效应外，并且钛合金本身导热性能较差，在快速加载过程中，由于在高应变率变形时载荷作用的时间极短，导致试样内由塑性变形功所转化的热能无法在极短的时间内消散，造成材料局部温升[16]，严重的会导致材料发生回复或再结晶，使得金属得到一定程度的软化，从而材料抵抗变形的能力降低。在高应变率条件下，材料的应变强化和热软化作用始终存在于整个塑性变形过程。

由于位错塞积及织构的联合作用，材料在变形过程中集中在局部区域，变形无法充分扩散，无法达到静态缓慢加载时位错缓慢运动+双相协调形变的变形传递方式，缺少相应的均匀形变过程，在达到最大力之后，只发生局部塑性变形，导致延伸率较低。

高应变率下断裂特征其实是应变强化与热软化效应的耦合作用下表现出的行为。在不同条件下，两种效应对最终特性贡献不同。有研究表明Ti-6Al-4V 在 7000 s⁻¹应变率下的绝热温升可达 350℃，对相界面结合力才起到软化作用[22]。

TC21 合金在试验3000s⁻¹应变率未见局部组织发生回复或再结晶，因此，在本文实验条件下，高应变率下强度的明显提升主要是应变强化起到主要作用。宏观性能表现为强度高塑性差。

4、结论

通过对不同应变率下拉伸试验结果的对比，以及对试验后断裂行为的特征分析，主要有以下结论：

1）TC21 双态钛合金随着加载应变率的增加，静态拉伸强度升高约40MPa，塑性无明显变化。动态拉伸强度相比静态提高约600MPa,但塑性急剧下降。

2）随着加载速率的增加，韧性断裂特征逐渐向脆性特征转变，韧窝尺寸增加但较浅。动态拉伸断口除了在初生α 相和转变β 区界面处形成微孔外，还在等轴初生α 相内部形成微孔。

3）与静态加载强化机制不同，动态加载的强化效应是应变强化和热软化作用共同作用的结果，3000s⁻¹应变率条件下，TC21 主要强化机制主要为应变强化。

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（注，原文标题：不同应变速率下TC21钛合金拉伸断裂行为研究_李瑶）