TC4多孔钛合金静态/冲击载荷下能量吸收增强机制：Al/V合金化调控位错与应变率敏感性研究

《Journal of Materials Research and Technology》：Study on Energy Absorption Enhancement Mechanism of Porous TC4 Titanium Alloy Compared with Porous Titanium Under Static and Impact Loads

本研究针对多孔钛材料在高应变率冲击条件下能量吸收性能不足的问题，通过系统对比多孔钛与多孔TC4钛合金（Ti-6Al-4V）在准静态（0.5 mm/min）与动态冲击（1282–4290 s-1）载荷下的力学响应，揭示了Al/V合金化元素通过钉扎位错、促进稳定低角度晶界（LAGB）网络形成、显著提升Peierls-Nabarro应力及引入溶质拖拽效应，从而分别延长准静态应力平台段（平台终点应变提升22.01%）和增强动态应变率强化效果的关键机制。该研究为抗冲击结构用多孔金属材料的优化设计提供了关键理论与技术基础。

　　

在航空航天、生物医学植入体和防护工程等领域，对兼具轻量化特性和优异能量吸收能力材料的需求日益迫切。多孔金属材料，特别是多孔钛及其合金，因其高比强度、耐腐蚀性和生物相容性而成为研究热点。然而，传统的多孔钛存在脆性较高、能量吸收效率有限的问题，尤其是在承受高速碰撞、爆炸冲击等动态载荷时，其性能短板更为突出。尽管通过调控孔隙率、孔径分布等结构参数可以在一定程度上改善性能，但材料本征的力学性能，特别是其动态响应能力，已成为进一步提升能量吸收效果的瓶颈。因此，探索通过合金化手段增强多孔钛基材料的静态和动态能量吸收性能，并深入理解其背后的微观机理，对于开发新一代高性能抗冲击结构材料具有至关重要的意义。本研究论文发表于《Journal of Materials Research and Technology》。

为系统比较多孔钛与多孔TC4钛合金的能量吸收性能与机理，研究人员采用了几个关键技术方法。首先，利用镁颗粒占位-蒸馏-烧结工艺制备了孔隙率为55±2%的多孔钛和多孔TC4钛合金样品。其次，使用万能电子试验机进行准静态压缩测试，并结合数字图像相关（DIC）技术进行全场应变分析；采用分离式霍普金森压杆（SHPB）装置进行应变率为1282–4290 s^-1的动态冲击压缩测试。最后，利用扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）对材料在不同状态（原始态、准静态压缩20%应变后、冲击压缩20%应变后）的微观结构进行表征，重点分析了几何必需位错（GND）密度和低角度晶界（LAGB）的变化。

3.1. 准静态压缩下的能量吸收

准静态压缩测试结果表明，多孔TC4钛合金的能量吸收密度（65.01±11.70 MJ/m³）和能量吸收效率（75.58±2.95%）均显著优于多孔钛（28.77±3.16 MJ/m³和59.98±5.05%）。多孔TC4的应力-应变曲线展现出更长的平台段，其平台终点应变（53.47±9.15%）远高于多孔钛（31.46±2.15%）。应变硬化率分析显示，多孔TC4的曲线呈平稳的“平台状”，而多孔钛则呈现剧烈波动的“锯齿状”，表明多孔TC4具有更均匀稳定的塑性流动能力。

3.2. 准静态压缩下的原位观察

通过DIC技术进行的原位观测发现，多孔钛在变形过程中裂纹萌生早且扩展迅速，局部区域变形不充分；而多孔TC4钛合金虽然裂纹出现也较早，但其扩展缓慢，且所有区域变形均匀充分，孔隙被明显压扁或压实。这从宏观上解释了多孔TC4能够维持更长应力平台的原因。

3.3. 动态冲击力学响应

SHPB冲击测试显示，两种材料均表现出应变率强化效应，即压缩强度随应变率增加而升高。然而，多孔TC4钛合金的应变率强化效果明显强于多孔钛，表明其在冲击载荷下具有更优越的能量吸收潜力。

3.4. 微观结构表征

SEM观察确认两种材料烧结良好，烧结颈尺寸相当（10–12 μm）。EBSD分析揭示了关键的微观机制差异：在经历20%准静态压缩变形后，多孔TC4钛合金的低角度晶界（LAGB）比例增加了29.7%，而多孔钛仅增加15.7%。这表明TC4中的合金元素Al和V有效钉扎了位错，抑制了动态回复，促进了稳定、密集的LAGB网络的形成。这种LAGB网络有助于协调不同区域间的应变，避免应变局部化，从而延迟损伤和微裂纹的扩展。

3.5. 能量吸收增强机制

研究人员进一步通过基于Taylor和Hall-Petch公式的定量分析，评估了位错强化和晶粒尺寸变化对冲击强度的贡献。计算发现，对于多孔TC4，位错密度变化带来的强度增量（Δσ_ρ= 5.94 MPa）远高于多孔钛（Δσ_ρ= 2.82 MPa），且占总强度增量的主要部分。这证实了位错强化是应变率强化的核心机制。Al原子与Ti原子尺寸差异大引起的严重晶格畸变，提高了位错滑移的Peierls-Nabarro应力（晶格摩擦）；同时，V原子在位错线周围形成的“气团”产生了溶质拖拽效应。这两种效应的叠加使得多孔TC4钛合金中的位错运动高度依赖于应变率，从而在宏观上表现出更强的应变率敏感性。

本研究通过系统的实验和微观表征，阐明了多孔TC4钛合金相较于多孔钛在静态和冲击载荷下能量吸收性能显著增强的机理。在准静态条件下，Al和V合金化元素通过促进形成稳定的低角度晶界（LAGB）网络，实现了均匀塑性变形，延长了应力平台段。在动态冲击条件下，这些元素通过提高Peierls-Nabarro应力和引入溶质拖拽效应，显著增强了材料的应变率强化响应。该研究不仅从微观层面揭示了合金化元素对多孔金属材料能量吸收行为的调控作用，量化了微观因素对性能提升的贡献，更重要的是明确了Al和V作为提升多孔钛合金动态力学性能的核心元素，为面向极端服役环境（如高速碰撞、爆炸防护）的高性能多孔金属材料的定向设计与优化提供了关键的理论依据和技术支撑。