战斗部壳体用β20C钛合金精细组织调控及性能研究

发布时间：2017-12-10 11:33

  本文关键词：战斗部壳体用β20C钛合金精细组织调控及性能研究

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【摘要】：战斗部是弹药毁伤目标或产生既定终点效应的部分,由壳体、装填物和引信组成。战斗部材料即壳体材料是军用新材料中的一个难点。战斗部及其材料的服役环境可概括为侵彻环境、爆轰环境和侵爆耦合环境,因此发展战斗部材料所面临的主要困难有:材料的变形和破坏要经历103~106s-1的高应变率和高温、高压的耦合作用,材料的行为极其复杂。要求材料不但可以降低弹的重量和尺寸,而且在改进弹的不敏感性能方面具有较大应用潜力。钛合金是20世纪50年代发展起来的一种重要的轻质金属材料。钛合金相对于其它金属来说,密度低、比强度高、比重小是其最大的优势,是保证导弹远射程、强侵彻的理想战斗部材料。但其性能对微观组织极其敏感,而微观组织受锻造、热处理等工艺影响因素众多。为此,本文以北京理工大学自主研发的β20C新型钛合金为研究对象,系统开展了不同锻造工艺对β20C钛合金组织特征及动态力学性能影响规律的研究,依据组织特征寻求β20C钛合金的较佳锻造工艺;对锻造态新型β20C钛合金通过DSC实验、组织跟踪实验,确定其静态再结晶的最佳温度范围,并设计不同热处理方案研究其组织与保温时间、冷却速率的关系,寻找较优热处理工艺;将经过较优热处理工艺的β20C钛合金进行力学性能测试,并进行模拟弹靶试实验,观察弹体断口形貌,并与传统TC4钛合金的力学性能及侵彻性能进行比较。作为一种新型钛合金,β20C钛合金通过适当的锻造,可以实现组织与性能的良好匹配,但在实际锻造过程中常常存在组织不均匀的现象。为了得到均匀的组织,本文设计了两种锻造工艺方案。方案1:相变点以上大变形(T=1050℃、变形量为70%),两相区小变形(T=860℃~890℃、变形量≤40%);方案2:相变点以上小变形(T=1050℃,变形量为40%),两相区大变形(T=860℃~890℃,变形量为50%~60%)。并分别对其进行“840℃+1h+FC”初步固溶热处理,然后比较试样的微观组织、动态压缩强度及临界断裂应变。试验结果表明:方案1获得钛合金显微组织为片层组织,在3500s-1应变率下,其动态强度约为1700MPa,临界断裂应变约为15%;方案2获得的钛合金显微组织为等轴组织,在相同应变率下,动态强度约为1650MPa,临界断裂应约为20%。为了提高方案2钛合金的动态强度,对其进行改锻:相变点以上只进行β化,不发生变形;两相区大变形(T=890℃、变形量70%)。改锻后的钛合金经过初步固溶处理,在相同应变率下,动态强度约为1750MPa,比方案2的1650 MPa提高了100 MPa,临界断裂应变约为20%。改锻过程由于试样在两相区发生了大变形,锻造过程组织积累了大量变形能,有利于后续热处理过程中静态再结晶现象的发生,进而消除残余应力,使材料的力学性能得到提高。对锻造态新型β20C钛合金进行DSC测试,试验过程中放热峰起始值出现在876.9℃,峰值出现在836.5℃,在814.5℃结束。依据DSC实验结果,确定一级固溶温度为880℃。结合激光扫描共聚焦实验和组织跟踪实验,由金相组织中的晶粒数量变化情况,确定β20C钛合金的二级固溶温度为740℃,结合保温时间、冷却速度制定出“880℃-0.5h-740℃-1h-FC”的分级退火工艺。经过退火工艺的新型β20C钛合金,显微组织为等轴组织,晶粒尺寸为2~3μm,在静态力学性能测试中,静态压缩强度达到1274MPa,延伸率为0.19;在动态力学性能测试中,在3500s-1的应变率下,动态强度达到1750MPa,临界断裂应变维持在23%左右;相同应变率下的TC4,动态强度是1450 MPa,临界断裂应变是28%。新型β20C钛合金具有高强中塑的特征β20C钛合金中β稳定元素含量较高,使其具有较强的淬透性与时效强化效应。对经过双重退火工艺的β20C钛合金进行模拟弹靶实验,并与传统TC4对比。实验用28mm模拟弹以不同速度垂直侵彻20mm厚船用钢,分析不同弹速下弹体的临界破坏速度以及破坏机理。结果表明:TC4的临界破坏速度为213m/s,而β20C钛合金的临界破坏速度介于410~435m/s之间,比TC4提高了92%~104%。观察实验弹体破损及断口情况,并结合数值模拟研究弹体在不同速度下的破坏机理,发现低速时由于剪应力情况的出现,弹体头部出现不完整环切;高速时由于拉应力、压应力的共同作用,头部出现破损或是弹体纵向劈裂现象,其断口形貌为河流花样,是典型的脆性断裂。β20C钛合金的临界破坏速度远高于TC4,所以它在新一代钛合金战斗部壳体材料中具有良好的应用前景。
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG319

【参考文献】

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1 姚俊臣;文丽芳;韩寿波;马岳;;高应变率下阻尼铝合金的动态力学性能研究[J];材料工程;2006年06期

2 肖s，

本文编号：1274322