本文關(guān)鍵詞：戰(zhàn)斗部殼體用β20C鈦合金精細組織調(diào)控及性能研究

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【摘要】：戰(zhàn)斗部是彈藥毀傷目標(biāo)或產(chǎn)生既定終點效應(yīng)的部分,由殼體、裝填物和引信組成。戰(zhàn)斗部材料即殼體材料是軍用新材料中的一個難點。戰(zhàn)斗部及其材料的服役環(huán)境可概括為侵徹環(huán)境、爆轟環(huán)境和侵爆耦合環(huán)境,因此發(fā)展戰(zhàn)斗部材料所面臨的主要困難有:材料的變形和破壞要經(jīng)歷103~106s-1的高應(yīng)變率和高溫、高壓的耦合作用,材料的行為極其復(fù)雜。要求材料不但可以降低彈的重量和尺寸,而且在改進彈的不敏感性能方面具有較大應(yīng)用潛力。鈦合金是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一種重要的輕質(zhì)金屬材料。鈦合金相對于其它金屬來說,密度低、比強度高、比重小是其最大的優(yōu)勢,是保證導(dǎo)彈遠射程、強侵徹的理想戰(zhàn)斗部材料。但其性能對微觀組織極其敏感,而微觀組織受鍛造、熱處理等工藝影響因素眾多。為此,本文以北京理工大學(xué)自主研發(fā)的β20C新型鈦合金為研究對象,系統(tǒng)開展了不同鍛造工藝對β20C鈦合金組織特征及動態(tài)力學(xué)性能影響規(guī)律的研究,依據(jù)組織特征尋求β20C鈦合金的較佳鍛造工藝;對鍛造態(tài)新型β20C鈦合金通過DSC實驗、組織跟蹤實驗,確定其靜態(tài)再結(jié)晶的最佳溫度范圍,并設(shè)計不同熱處理方案研究其組織與保溫時間、冷卻速率的關(guān)系,尋找較優(yōu)熱處理工藝;將經(jīng)過較優(yōu)熱處理工藝的β20C鈦合金進行力學(xué)性能測試,并進行模擬彈靶試實驗,觀察彈體斷口形貌,并與傳統(tǒng)TC4鈦合金的力學(xué)性能及侵徹性能進行比較。作為一種新型鈦合金,β20C鈦合金通過適當(dāng)?shù)腻懺?可以實現(xiàn)組織與性能的良好匹配,但在實際鍛造過程中常常存在組織不均勻的現(xiàn)象。為了得到均勻的組織,本文設(shè)計了兩種鍛造工藝方案。方案1:相變點以上大變形(T=1050℃、變形量為70%),兩相區(qū)小變形(T=860℃~890℃、變形量≤40%);方案2:相變點以上小變形(T=1050℃,變形量為40%),兩相區(qū)大變形(T=860℃~890℃,變形量為50%~60%)。并分別對其進行“840℃+1h+FC”初步固溶熱處理,然后比較試樣的微觀組織、動態(tài)壓縮強度及臨界斷裂應(yīng)變。試驗結(jié)果表明:方案1獲得鈦合金顯微組織為片層組織,在3500s-1應(yīng)變率下,其動態(tài)強度約為1700MPa,臨界斷裂應(yīng)變約為15%;方案2獲得的鈦合金顯微組織為等軸組織,在相同應(yīng)變率下,動態(tài)強度約為1650MPa,臨界斷裂應(yīng)約為20%。為了提高方案2鈦合金的動態(tài)強度,對其進行改鍛:相變點以上只進行β化,不發(fā)生變形;兩相區(qū)大變形(T=890℃、變形量70%)。改鍛后的鈦合金經(jīng)過初步固溶處理,在相同應(yīng)變率下,動態(tài)強度約為1750MPa,比方案2的1650 MPa提高了100 MPa,臨界斷裂應(yīng)變約為20%。改鍛過程由于試樣在兩相區(qū)發(fā)生了大變形,鍛造過程組織積累了大量變形能,有利于后續(xù)熱處理過程中靜態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象的發(fā)生,進而消除殘余應(yīng)力,使材料的力學(xué)性能得到提高。對鍛造態(tài)新型β20C鈦合金進行DSC測試,試驗過程中放熱峰起始值出現(xiàn)在876.9℃,峰值出現(xiàn)在836.5℃,在814.5℃結(jié)束。依據(jù)DSC實驗結(jié)果,確定一級固溶溫度為880℃。結(jié)合激光掃描共聚焦實驗和組織跟蹤實驗,由金相組織中的晶粒數(shù)量變化情況,確定β20C鈦合金的二級固溶溫度為740℃,結(jié)合保溫時間、冷卻速度制定出“880℃-0.5h-740℃-1h-FC”的分級退火工藝。經(jīng)過退火工藝的新型β20C鈦合金,顯微組織為等軸組織,晶粒尺寸為2~3μm,在靜態(tài)力學(xué)性能測試中,靜態(tài)壓縮強度達到1274MPa,延伸率為0.19;在動態(tài)力學(xué)性能測試中,在3500s-1的應(yīng)變率下,動態(tài)強度達到1750MPa,臨界斷裂應(yīng)變維持在23%左右;相同應(yīng)變率下的TC4,動態(tài)強度是1450 MPa,臨界斷裂應(yīng)變是28%。新型β20C鈦合金具有高強中塑的特征β20C鈦合金中β穩(wěn)定元素含量較高,使其具有較強的淬透性與時效強化效應(yīng)。對經(jīng)過雙重退火工藝的β20C鈦合金進行模擬彈靶實驗,并與傳統(tǒng)TC4對比。實驗用28mm模擬彈以不同速度垂直侵徹20mm厚船用鋼,分析不同彈速下彈體的臨界破壞速度以及破壞機理。結(jié)果表明:TC4的臨界破壞速度為213m/s,而β20C鈦合金的臨界破壞速度介于410~435m/s之間,比TC4提高了92%~104%。觀察實驗彈體破損及斷口情況,并結(jié)合數(shù)值模擬研究彈體在不同速度下的破壞機理,發(fā)現(xiàn)低速時由于剪應(yīng)力情況的出現(xiàn),彈體頭部出現(xiàn)不完整環(huán)切;高速時由于拉應(yīng)力、壓應(yīng)力的共同作用,頭部出現(xiàn)破損或是彈體縱向劈裂現(xiàn)象,其斷口形貌為河流花樣,是典型的脆性斷裂。β20C鈦合金的臨界破壞速度遠高于TC4,所以它在新一代鈦合金戰(zhàn)斗部殼體材料中具有良好的應(yīng)用前景。
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG319

【參考文獻】

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1 姚俊臣;文麗芳;韓壽波;馬岳;;高應(yīng)變率下阻尼鋁合金的動態(tài)力學(xué)性能研究[J];材料工程;2006年06期

2 肖s，

本文編號：1274322