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      鈦合金靶材滲透的金相特征

      鈦合金靶材滲透的金相特征

      RAYMOND L. WOODWARD

      Ti-6A1-4V合金靶的彈道試驗產生了許多有趣的特性。有直接證據表明,在射靶界面處有熔融現象。靶體被絕熱剪切破壞,空腔在剪切帶中生長。靶材料彈道性能中觀察到的方向性與靶材料的各向異性有關。


      1. 介紹

      由于鈦合金的高強度和低熱導率,已作為絕熱剪切堵漏的材料進行了檢驗。在絕熱剪切破壞中,高變形率阻止了塑性流動產生的熱量的耗散;熱軟化速率超過了金屬的加工硬化能力,突變剪切在一個狹窄的形變帶內發展。2在彈道沖擊條件下,現有合金確實發生了絕熱剪切,這一點已經得到證實,絕熱剪切的力學在別處也有描述。在這些調查的過程中,進行了一些與滲透力學有關的金相觀察,這些觀察將在本工作中報告.


      在已有的實驗中,侵徹試驗在與原塊頂面C和圖1中標記為A的橫面平行的靶上進行。

      該彈丸是4.8毫米diam硬化滾子軸承,地面到一個圓錐尖端與45度夾角和最大平坦diam在0.015毫米的尖端。射彈的質量是2。85克。該項目是用商用螺柱槍發射的,預沖擊速度是根據已知間隔的兩個通電線圈之間的傳輸時間計算出來的。臨界侵徹速度是通過平均沒有噴出塞的最高速度和從靶板噴出塞的最低速度來測量的。


      3. TPROJECTILE-TARGET接口

      如圖2(A)所示,在相互作用過程中,靶板噴出的許多插頭被折斷成段,During examination


      image.png


      2. 試驗

      目標材料的標稱成分為wt pct Ti-6A1-4V,提供給規格AMS 4911B。它是在鍛造和退火條件下接收,并指定IMI鈦318合金。材料是一個50毫米厚的方形塊的形式,這樣邊長50毫米的方形目標可以用穿透軸在原塊的三個主要方向中的任意一個切割。在原始塊體的兩個橫向、圖1中兩側為a和B的金相檢查中,觀察到類似的a-和轉變后的^-組織條帶。然而,力學試驗表明,試樣中三個主要方向具有不同的性能,這可能與微觀組織的織構效應和條帶有關。圖1的應力/應變曲線是軸垂直于圖中標記為A到C的平面切割圓柱體的壓縮試驗結果;C代表原板的上表面。塑性隨方向有明顯變化,每次試驗都進行到斷裂,流動應力有微小變化,這與塊體三個面所測得的維氏硬度值的變化一致,如圖1所示。 


      在對一個試樣的斷口表面進行檢查時,在圖2(a)所示的位置觀察到了沉積,如圖2(b)所示。礦床以含有大量開裂的“飛濺狀”出現,如圖2(c)所示,并從斷口表面向后延伸到拋石-瀝青get界面的錐形凹陷區域。電子探針微量分析(EPMA)顯示,該礦床鐵的濃度顯著,而鈦合金的鐵含量可以忽略不計,因此有理由認為鐵是從彈體轉移過來的。


      image.png 


      圖2 - (a)顯示典型分段塞的靶體穿透幾何圖形和礦床在塞體斷口表面的位置,(b)富鐵礦床的掃描電子顯微圖,(c)顯示礦床開裂的高倍放大圖。


      很明顯,在靶區表面已經發生了熔化,而與此界面接觸的塞子開裂(圖2(d))產生了一個熔融材料可以在其上飛濺的自由表面。這一熔化的觀察結果與先前的工作是一致的,先前的工作表明,摩擦在pr - cti - tar get界面可以導致明顯的熔化和形成疙瘩型結構。隨后用EPMA對侵蝕的頂射頭進行了檢查,發現了鈦沉積,并且在許多其他的插頭上觀察到了錐印痕中的鐵沉積。鈦的高強度和低導熱系數似乎為熔化創造了理想的條件,因此,在這種情況下,證據比通常在p靶-射靶界面的穿孔后檢查中觀察到的證據更清楚。推測礦床開裂與薄層的冷卻作用有關。


      4 絕熱剪切變形

      在穿透過程中,塞的噴射發生在熱軟化材料的薄層上,稱為絕熱剪切帶,圖3。


      image.png

       

      圖3鈦靶典型的絕熱剪切帶。在乳酸、HNO3和HF的混合物中蝕刻的。放大7倍。



      image.png

       

      圖4典型的穿透靶顯示了柱塞中的二次剪切帶。放大4.4倍。


      這在高強度靶5-7中很常見,并對這一過程的機理進行了描述。導致絕熱剪切的事件序列與加工硬化和熱軟化的相互作用有關。在低速變形中,熱流足夠快,因而性質不會上升;加工硬化主導著材料對塑性流動的反應,對于具有中等加工硬化速率的材料,形成區將顯著擴展。然而,在高應變率下,由塑性流動產生的熱量可能不能通過傳導足夠快地消散;變形區的熱軟化比狹窄區域內的加工硬化和塑性流動集中更為顯著。這在硬目標的彈道穿孔中觀察到,并導致性能惡化。


      對鈦合金的初級和次級條帶的金相檢查表明,許多條帶含有極圓的空洞線,這些空洞由中間韌帶的剪切斷裂連接起來,如圖5所示。這種圓形空腔陣列以前曾在鈾的絕熱剪切帶中觀察到過。對掃描電子顯微鏡拋光和蝕刻切片的檢查和立體對的使用表明,空腔延伸到不同的深度,并沿進入樣品的平面而不是直線連接,圖6(?)。在許多情況下,空腔包含小的凹陷和微細結構特征,圖60),而在其他情況下,空腔表面看起來非常光滑和無特征。當空腔加入典型剪切時,形成了韌窩型斷口。個別的空腔在形狀上有點伸長,直徑非常接近剪切帶寬度。仔細檢查圖5、圖6(G)和圖6(b)可以發現,微小的剪切位移與韌帶斷裂連接空腔有關。

      對于空腔的成核沒有明確的建議。在一些空腔中有第二相粒子的證據,但不是全部。在假定一種腔成核方式時,必須記住該帶內的溫度預計會接近熔點??涨魂嚵性阝伜外櫤辖鹬斜挥^察到,9在絕熱剪切帶中,但在鋼和鋁合金中沒有,它們也被絕熱剪切破壞。這可能與鈾和鈦的熱傳導性比鐵和鋁低得多有關。

      空洞生長的機理有三種可能。羅杰斯提出,當結構卸載時,由于拉力的作用,空腔會打開。這就解釋了即使空腔是在強烈剪切區內形成的,它們仍然呈圓形。另一種方法是在變形過程中,在加熱和軟化帶內通過空化生長。這一建議使得拉應力在帶內工作,而且由于帶是在高溫下工作的,這種機制是可行的。第三種可能是,如圖7所示,形成了正常的伸長剪切腔,但帶內的高溫導致了高原子遷移率,應導致近球形空洞的形成,以降低表面能。沒有足夠的證據支持任何一種機制。


      image.png 

      image.png


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      塑性變形

      檢查拋光部分的穿孔目標顯示一個不尋常的“孵化”結構接近的彈洞有一個首選的幾何關系,大約35度,promirror圖像的方向兩側的穿孔板和他們跨越幾個谷物,功能不能因此雙胞胎,但有可能是孿生參與形成的微觀結構特性。這種特征很可能代表一種變形帶,與腐蝕變形銅和黃銅樣品時通常觀察到的變形帶相似。10特征的性質沒有進一步研究,但其分布有一定的意義。如圖8所示,“孵化”現象在組織的某些條帶中更為明顯,條帶平行于軋制平面。在微觀結構中出現的a相和轉變后的g相的部分有明顯的變化,這與成分的變化有關。


      通過微結構獲取EPMA痕跡,鋁和釩的濃度在標記區域整合;結果表明,鋁和釩含量的變化與組織條帶有關。從圖8中可以看出,在“孵化”區域,鋁的濃度高于平均值,而釩的含量較低。在相鄰的結構中,鋁的濃度較低,而鈧的濃度高于平均值。整個過程中鋁含量的變化很小,約為±5%,由于每個條帶內的濃度變化很大,接近所使用方法的檢測極限。但釩濃度與平均釩濃度的差異高達±20%。根據鋁和釩對鈦合金中a和/三相形成的影響,這些濃度變化與預期一致。

      顯微硬度測試結果與條帶和成分變化有關。結果發現,在橫越帶狀組織過程中,硬度變化可達100個維氏點?!胺趸备鼮槠毡榈膮^域,即高鋁(低釩)濃度區域,則更難。.


      image.png


      圖8穿孔后目標材料的顯微圖,顯示了由于分離和隨后的滾動而形成的條帶,以及在一些條帶中形成的“孵化”?!胺趸碧卣饔幸粋€首選方向相對于穿透的方向,這是由一個箭頭。放大178倍。

       

      表一.45度錐彈體在兩個方向穿透318鈦板的臨界速度

      Projectile Impact Plate Thickness Critical Velocity

      Direction*

      mm

      m/s

      C

      4.76

      297 ±3

      A

      4.76

      265 ±5

      C

      6.35

      359 ± 15

      A

      6.35

      321 ±5

      *C ? Impact direction normal to the plane of the original plate (Fig. 1). A - Impact direction parallel to one of the transverse directions (Fig. 1).

       

      由于力學性能的變化,減少彈丸射向目標的初始平面平行板(即通過厚度)應該更容易穿透塞周圍的絕熱剪切帶是驅逐在滲透會首選帶板在其周長的一部分。為了測試這一點,臨界速度穿透6.4和4.8毫米厚板測定彈丸飛行的方向正常原板的平面(C)和平行于軋制方向(A)(圖1)。表中給出的結果我清楚地表明彈時更好的性能比當它傳播整個樂隊旅行平行分班。然而降低臨界速度時,彈丸旅行平行分班原板是只有百分之十,這是訂單的減少流動應力的期望是什么正常的飛機相比,正常C平面(圖1)。因此,貫入阻力的變化與目標取向更明顯的各向異性有關目標材料的流動應力比絕熱剪切帶的可能性更容易通過微結構的某些部分傳播。雖然這表明了結構和分離對性能的巨大影響,但必須指出的是,彈體不會在平板中平行于橫向方向發射。


      5. 總結

      鋼彈孔鈦合金靶的金相檢驗揭示了一些重要的特征。鈦合金斷口上的沉積形態及其高鐵含量為射靶界面熔化提供了直接證據。沿絕熱剪切帶的破壞是由于空腔陣列的增長而發生的,所產生的斷口表面具有典型的剪切韌窩結構。鋁和釩在板中的偏析導致了板的力學性能的變化,伴隨變形導致了板的強度和延性的方向性。由于鍛壓對組織的對準,導致與微觀組織相對的滲透方向的彈道性能的變化,這種變化可能與目標材料的流動應力的各向異性有關。


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