TC21钛合金是由西北有色金属钻研院自主研制的一种拥有高强度
、高断裂韧性和低裂纹扩大速度等特点的危险容限型α+β 两相钛合金。重要用于航空航天领域，，如制作飞机的机翼接头结构件
、机身与起落架衔接框等关键承力部件，，也可用于船舶制作
、能源等领域。由于钛合金的优异机能，，近些年来同样在刀兵领域也得到宽泛利用，，在服役过程中，，会受到高应变率的动态载荷。

经过大量的钻研批注，，资料的力学机能与其加载时应变率存在肯定关系，，凭据应变率的巨细，，通常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领域，，此状态下应变率效应险些能够忽略不计；应变率＞10^-3s^-1时，，属于动态加载领域，，此时必要思考资料的应变率效应。

静态或准静态载荷作用时，，其关键特点是结构内部每个微单元的合力近似为零，，变形均匀且缓慢，，不存在显著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布，，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，，变形出现“递进式扩散”特点，，应力以弹性波
、塑性波等大局在资料内部传递[1-5]。

目前对动态加载钻研较多的是动态压缩，，在应变率10² s^-1-10⁴ s^-1前提下选取最多的设备为分离式Hopkinson 压杆装置。变形机制不仅蕴含塑性流动，，还可能涉及动态回复
、动态再结晶等与功夫有关的微观过程，，极端情况下甚至会出现绝热剪切带等瞬时失效景象。

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]选取Q355ND 钢在应变率为0.001-4100 s^-1的领域内对进行室温准静态和动态拉伸尝试，，同样发现随着应变速度的增长，，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长而变浅变小，，合金的断裂机制也逐步向脆性断裂转变[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-温度敏感个性，，其初始屈服应力随应变率增长而增大，，随温度升高而减小，，通过引入2个敏感度系数修改TC21钛合金率-热有关性的本构行为[8]。高温试验前提下，，TC21钛合金的拉伸力学行为存在显著的温度和应变速度有关性，，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 合金产生应力诱发马氏体相变；Ti-5553 合金在SHPB 加载产生应力诱发马氏体相变之后再进行SHTB 加载时，，产生应力诱发马氏体相变的能力受到克制[10]。

钢
、铝合金等发展较早，，动静态机能均有大量的钻研，，而针对钛合金在准静态和动态拉伸的演变短缺基础的法规特点对比。本文重要选取分歧应变速度下拉伸试验钻研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，，经热处置后组织为双态组织，，等轴初生α 相(αp)+转变β 区组成，，其中转变β 区蕴含残存β 相及片层状次生α 相(αs)组成。室温静态拉伸试验在Instron 5982 型电子全能试验机上进行，，试验的应变速度别离为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，，试验的应变速度别离为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，，保障在高应变率加载前提下了局有效。

Hopkinson 拉杆系统用于资料动力拉伸力学机能的测试。其装置与压杆类似，，也蕴含气室，，子弹，，入射杆，，透射杆及能量吸收装置，，示意图如图1~3 所示。与压杆装置分歧之处在于，，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肯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布，，并对试样施加动态拉伸载荷。

试验前，，并将筹备好的试样装置在Hopkinson 拉杆装置上，，通过调节子弹长度和气压巨细来实现分歧应变率的加载。

2
、了局与分析

如果动态机能遵循一维弹性波传布理论，，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 为功夫。

在试验与压杆接触的2 个端面A
、B 上利用上式，，思考应力波的叠加有：

式中：εI为入射波应变；εR为反射波应变；εT为透射波应变。所以试样的应变能够得到：

在忽略试样内部的波的传布效应的如果下，，通过短试样的应力是常量，，则：

带入到(7)式能够得到应变：

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。

动态拉伸试验依照以上对试验了局进行处置，，静态拉伸试验了局由软件自动报出。表1 为分歧应变率下试验了局。

表1 分歧应变率下试验了局

Table 1 Test Results at Different strain rates

图4 为静态拉伸试验了局。在静态加载前提下，，随着应变率的提升，，资料的抗拉强度及屈服强度呈增长趋向，，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，，但相应的延长率根基无显著变动。通过试验曲线能够看出，，整体塑性较高，，有显著的均匀塑性变形阶段。

图5 为动态拉伸试验了局。在动态加载前提下，，同样抗拉强度与应变率成正有关性。3000 应变率下强度达到1671MPa，，相比于静态强度，，提高约600MPa。但延长率均在0.2%以下，，根基不存在均匀塑性变形，，急剧扩大断裂。

图6 为分歧应变速度下断裂宏观描摹。随着应变速度的增长，，静态拉伸断口整体蕴含纤维区
、放射区和剪切唇区。在应变率为0.001s-1和0.01s-1时纤维区占比力大，，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，，纤维区面积增长。

图7 为分歧应变速度下断裂微观特点(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力少，，断面由整体平展(1000 s-1)逐步向多条扩大棱过渡。由静态到动态断裂特点的变动能够看出，，随着应变速度的增长，，钛合金阐发出从韧性断裂相脆性断裂的趋向。

为分歧应变速度下断口组织特点。在高倍组织特点中，，以韧窝断裂为主，，断裂特点仍属于韧性断裂特点，，随着应变速度的增长，，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。

静态拉伸断口左近裂纹扩大蹊径崎岖，，存在较多与正应力加载垂直的平面，，由于初生α 相和β 相区硬度分歧，，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，，缩短了分歧微孔之间的距离，，在加载过程易微孔荟萃，，天生微裂纹。

3
、变形与强化机制

静态拉伸由于变形速度较慢，，加载过程中使变形可能充分扩散，，变形机制以位错缓慢活动+双相协调形变为主。由于转变β 区蕴含残存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，，大部门形变均由α承担，，α 相的滑移系更易激活，，因而位错在α 相内以滑移为主。当活动至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
、滑移能够进一步协调变形[11-14]。

而高应变加载时，，双态组织的变形机制出现“位错塞积+织构加强”的耦合特点。高应变率下，，位错滑移速度显著提升，，且沿拉伸方向定向活动，，首先在等轴α 晶粒内部，，由于滑移系启动受限，，位错在晶内滑移带结尾或亚晶界处大量堆积。

在α/β 相界面，，α（hcp）与 β（bcc）晶体结构差距大，，作为重要的位错阻碍，，位错从 α 滑移至 β 需逾越界面，，在界面处形成位错塞积群，，部门应变硬化率显著提升。同时塞积群产成长程内应力，，显著提升临界分化切应力：旯鄄⑽柿锨慷忍嵘。

别的织构起到了重要作用。动态拉伸中急剧形成B/T 型织构[15]，，α 相沿受力方向定向分列成“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，，能够将载荷高效传递至β 基体；有钻研批注织构强化使α 相的应力承载占比从准静态的40%提升至60%[16-21]，，成为动态拉伸的主题强化蹊径。因而，，同种资料在高应变率前提下，，强度会有显著提升。现实本钻研中TC21钛合金动态强度与静态相比，，强度均匀提升约53.4%。

有关的钻研中也发现，，除了以上应变强化效应外，，并且钛合金自身导热机能较差，，在急剧加载过程中，，由于在高应变率变形时载荷作用的功夫极短，，导致试样内由塑性变形功所转化的热能无法在极短的功夫内消散，，造成资料部门温升[16]，，严重的会导致资料产生回复或再结晶，，使得金属得到肯定水平的软化，，从而资料抵抗变形的能力降低。在高应变率前提下，，资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结合作用，，资料在变形过程中集中在部门区域，，变形无法充分扩散，，无法达到静态缓慢加载时位错缓慢活动+双相协调形变的变形传递方式，，短缺相应的均匀形变过程，，在达到最大力之后，，只产生部门塑性变形，，导致延长率较低。

高应变率下断裂特点其实是应变强化与热软化效应的耦合作用下阐发出的行为。在分歧前提下，，两种效应对最终个性贡献分歧。有钻研批注Ti-6Al-4V 在 7000 s??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??应变率未见部门组织产生回复或再结晶，，因而，，在本文尝试前提下，，高应变率下强度的显著提升重要是应变强化起到重要作用：旯刍懿⑽慷雀咚苄圆。

4
、结论

通过对分歧应变率下拉伸试验了局的对比，，以及对试验后断裂行为的特点分析，，重要有以下结论：

1）TC21 双态钛合金随着加载应变率的增长，，静态拉伸强度升高约40MPa，，塑性无显著变动。动态拉伸强度相比静态提高约600MPa,但塑性急剧降落。

2）随着加载速度的增长，，韧性断裂特点逐步向脆性特点转变，，韧窝尺寸增长但较浅。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分歧，，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了局，，3000s??应变率前提下，，TC21 重要强化机制重要为应变强化。

参考文件

[1] 朱知寿, 王新南, 童路, 等. 新型TC21钛合金热处置工艺参数与显微组织演变的关系钻研[J]. 钛工业进展, 2006, 23(6): 24-27.

Zhu Zhishou, Wang Xinnan, Tong Lu,et al.Study on the relationship between heat treatment parameters and microstructures evolvement of new type TC21 titanium alloy[J]. Titanium Industry Progress,2006, 23(6): 24-27.（in Chinese）

[2] He S, Zeng W, Jia R, et al. The mechanical response and failure mechanism of a near α titanium alloy under high-strain-rate compression at different temperatures[J]. Materials Science and Engineering: A, 2021, 814: 140749.

[3] Lee D G, Lee Y H, Lee C S, et al. Effects of volume fraction of tempered martensite on dynamic deformation properties of a Ti-6Al-4V alloy having a bimodal microstructure[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2005, 36(13): 741-748. [4] Zhao Y, Li B, Zhu Z, et al. The high temperature deformation behavior and microstructure of TC21 titanium alloy[J]. Materials Science and Engineering: A, 2010, 527(21-22): 5360-5367.

[5] Vishnu J, Sankar M, Rack H J, et al. Effect of phase transformations during aging on tensile strength and ductility of metastable beta titanium alloy Ti–35Nb–7Zr–5Ta-0.35 O for orthopedic applications[J]. Materials Science and Engineering: A, 2020, 779: 139127.

[6] 魏继锋,李新菊,吉耿杰,等.Q355ND 钢静动态力学行为与Johnson-Cook 本构参数拟合[J].北京理工大学学报, 2025, 45(5): 437-443.

WEI Jifeng, LI Xinju, JI Ggenjie, et al. Static and dynamic mechanical properties of Q355ND Ssteel and determination of Johnson-Cook model parameters[J].

Transactions of Beijing institute of Technology, 2025, 45(5): 437-443.（in Chinese）[7] 吕晓东.Fe-Mn-Al-C 系低密度钢的室温准静态和动态力学行为的钻研[D].呼和浩特：太道理工大学,2024.

Lü Xiaodong.Study on quasi-static and dynamic mechanicalbehavior of Fe-Mn-Al-C low density steels at roomtemperature. Taiyuan: Taiyuan University of Technology.（in Chinese）

[8]李云飞,曾祥国.TC21钛合金动态拉伸行为的率-热效应及其本构关系[J].罕见金属资料与工程,2018,47(06):1760-1765.

Li Yunfei, Zeng Xiangguo. Effect of strain rate andtemperature on the dynamic tensile behavior and constitutive model of TC21 titanium alloy[J]. Rare Metal Materials and Engineering,2018,47(06):1760-1765.（in Chinese）

[9]宫旭辉,王宇,夏源明,等.TC21钛合金的高温动态拉伸力学行为[J].中国有色金属学报,2010,20(04):647-654.

GONG Xu-hui, WANG Yu, XIA Yuan-ming, et al.Dynamic tensile behavior of TC21 titanium alloys at elevated temperatures[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals,2010,20(04):647-654.（in Chinese）

[10]代华湘,王琳,王丁,等.Ti-5553 合金动态拉伸下的力学机能及微结构变动[J].刀兵资料科学与工程,2017,40(01):84-88.

DAI Huaxiang,WANG Lin, WANG Ding, et al.Mechanical properties and microstructure transformation of Ti?5553 titanium alloy under dynamic tension[J].Ordnance Material Science and Engineering,2017,40(01):84-88.（in Chinese）

[11]黄朝文，，谭永生，，辛社伟，，等. Ti-55531 合金变形及断裂行为的原位 SEM 分析 [J]. 罕见金属资料与工程，，2020, 49 (3): 890-896

Huang Chaowen, Tan Changsheng, Xin Shewei, et al. In-situ SEM observation to deformation and fracture behavior of Ti-55531 alloy[J].Rare Metal Materials and Engineering.2020, 49 (3): 890-896.（in Chinese）

[12] Ke Wang, Honghui Li, Yu Zhou, et al. Dislocation Slip and Crack Nucleation Mechanism in Dual-Phase Microstructure of Titanium Alloys: A

Review[J].ActaMetallurgicaSinica (English Letters), 2023, 36(3):353-365.

[13]李学雄，，徐东生，，杨锐。钛合金双态组织高温拉伸行为的晶体塑性有限元钻研 [J]. 资料钻研学报，，2019, 33 (4): 241-253.

LI Xuexiong, XU Dongsheng, YANG Rui.CPFEM study of high temperature tensile behavior ofduplex titanium alloy[J].Chinese Journal of Materials

Research,2019, 33 (4): 241-253.（in Chinese）

[14] Lei L, Zhao Q, Zhao Y, et al. Study on the intrinsic factors determining impact toughness of TC21 alloy[J]. Materials Characterization, 2021, 177: 111164.

[15]吴汐玥,陈志勇,程超,等.热处置对Ti65 钛合金板材的显微组织,织构及拉伸机能的影响[J].资料钻研学报, 2019, 33(10):9.

[15] WU Xiyue, CHEN Zhiyong, CHENG Chao, et al. Effects of heat treatment on microstructure, texture and tensile properties of Ti65 alloy[J]. Chinese Journal of Materials Research, 2019, 33(10):9.（in Chinese）

[16]张长清.高应变率下危险容限型钛合金的动态力学机能及断裂行为钻研[D].漯河：漯河航空航天大学,2016.

Zhang Changqing.Dynamic mechanical properties andfracture behaviors of Damage ToleranceTitanium Alloys under high strain rate[D].Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2016.（in Chinese）

[17]杨凯文.铸造和热处置工艺对TC21钛合金静动态力学机能和抗弹机能影响的钻研[D].北京理工大学,2016.

Yang Kaiwen.Effect of forging and heat treatment processing onmechanical and ballistic properties of TC21 titaniumalloy[D].Beijing: Beijing Institute of

Technology,2016.（in Chinese）

[18]彭美旗.组织细节对双态组织TC4 钛合金静动态力学机能及绝热剪切行为影响法规钻研[D].北京理工大学,2016.

Peng Meiqi. Effect of microstructures on mechanical properties andadiabatic shear behavior in Ti-6Al-4V alloy[D]. Beijing: Beijing Institute of Technology,2016.（in Chinese）

[19] Wang T, Feng Y, Liu X, et al. Phase Composition Effects on Dynamic Behavior and Strain Rate Sensitivity in Metastable β-Ti Alloys[J]. Materials, 2022, 15(12): 4068.

[20] Wen X, Wan M, Huang C, et al. Effect of microstructure on tensile properties, impact toughness and fracture toughness of TC21 alloy[J]. Materials & Design, 2019, 180: 107898.

[21] Cai X, Zeng W, Liu H, et al. Anisotropic impact response in Ti-6Al-4V alloy: crystallographic control of slip activation and macrozone during crack initiation and propagation[J]. Materials Science and Engineering: A, 2025: 149298.

[22]刘超,王鑫,门月,等.Ti-6Al-4V 合金热压缩过程中的动态再结晶[J].资料钻研学报,2021,35(08):583-590.

LIU Chao, WANG Xin, MEN Yue, et al.Dynamic recrystallization of Ti-6Al-4V alloy during hot compression[J].Chinese Journal of Materials Research,2021,35(08):583-590.（in Chinese）

（注，，原文标题：分歧应变速度下TC21钛合金拉伸断裂行为钻研_李瑶）