單脈沖加載技術(shù)及其在鈦合金拉伸行為研究中的應(yīng)用

張　軍，汪　洋

（1.中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽(yáng) 621999；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系，安徽 合肥 230027）

單脈沖加載技術(shù)及其在鈦合金拉伸行為研究中的應(yīng)用

張軍1，汪洋2

（1.中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽(yáng) 621999；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系，安徽 合肥 230027）

為精確評(píng)價(jià)鈦合金熱率相關(guān)的力學(xué)行為，利用沖擊拉伸試驗(yàn)系統(tǒng)和基于單應(yīng)力脈沖加載的沖擊拉伸復(fù)元試驗(yàn)技術(shù)分別獲得TC11鈦合金在高應(yīng)變率（102～103s-1）范圍內(nèi)的絕熱應(yīng)力-應(yīng)變曲線和等溫應(yīng)力-應(yīng)變曲線，實(shí)現(xiàn)拉伸響應(yīng)的熱力解耦；利用沖擊拉伸加卸載試驗(yàn)技術(shù)實(shí)施變溫度和變應(yīng)變率測(cè)試，研究歷史效應(yīng)對(duì)于本構(gòu)行為的影響。結(jié)果表明：TC11的初始屈服行為呈現(xiàn)溫度軟化和應(yīng)變率強(qiáng)化特性，而等溫塑性應(yīng)變硬化行為表現(xiàn)出溫度和應(yīng)變率不敏感特征，瞬態(tài)絕熱溫升是導(dǎo)致材料動(dòng)態(tài)應(yīng)變硬化率降低的主要原因；高應(yīng)變率加載時(shí)材料內(nèi)的熱功轉(zhuǎn)換系數(shù)約為0.9，且其拉伸力學(xué)行為無(wú)明顯的溫度和應(yīng)變率歷史效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為建立鈦合金的本構(gòu)模型奠定試驗(yàn)基礎(chǔ)。

鈦合金；應(yīng)變率；絕熱溫升；歷史效應(yīng)

0　引　言

α+β型鈦合金以其高比強(qiáng)度、優(yōu)異的中低溫性能、高損傷容限等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈、航空、艦船等軍事和民用領(lǐng)域［1-2］。由于上述結(jié)構(gòu)和部件服役中不可避免承受高應(yīng)變率等極端條件，且相比于準(zhǔn)靜態(tài)，動(dòng)態(tài)加載時(shí)間短，塑性功產(chǎn)生的熱量來(lái)不及耗散，會(huì)引起試件的溫度不斷上升。因此，高應(yīng)變率下鈦合金的力學(xué)響應(yīng)是應(yīng)變硬化、應(yīng)變率強(qiáng)化和溫升軟化效應(yīng)相互耦合的結(jié)果［3-4］。此外，實(shí)際沖擊工程中結(jié)構(gòu)和部件可能在發(fā)生首次塑性變形和損傷累計(jì)后，遭遇二次甚至多次變溫度、變應(yīng)變率再加載，即材料在較大跨度內(nèi)經(jīng)歷了溫度和應(yīng)變率的不斷變化，該問(wèn)題涉及材料的溫度歷史和應(yīng)變率歷史效應(yīng)［5］。因此，有必要深刻理解高應(yīng)變率加載下熱力耦合效應(yīng)、溫度和應(yīng)變率歷史效應(yīng)對(duì)材料力學(xué)行為的影響。

霍普金森測(cè)試系統(tǒng)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，被認(rèn)為是獲得在高應(yīng)變率加載條件下材料力學(xué)性能的一種有效手段。Nemat-Nasser等于1991年在霍普金森壓桿上首次成功實(shí)現(xiàn)了單應(yīng)力脈沖加載技術(shù)，該技術(shù)經(jīng)不斷改進(jìn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了高應(yīng)變率壓縮下的復(fù)元實(shí)驗(yàn)、高應(yīng)變率壓縮下的變溫度實(shí)驗(yàn)和變應(yīng)變率實(shí)驗(yàn)［6-8］。Guo等［9］利用該技術(shù)在霍普金森壓桿上分別實(shí)施了沖擊復(fù)元實(shí)驗(yàn)，獲得了Ti-6Al-4V高應(yīng)變率加載時(shí)的等溫壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，實(shí)現(xiàn)了沖擊壓縮加載時(shí)材料力學(xué)性能的熱力解耦，證實(shí)了高應(yīng)變率下鈦合金應(yīng)變硬化率降低的原因是絕熱溫升軟化；同時(shí)，通過(guò)變溫加載實(shí)驗(yàn)，間接地確定了高應(yīng)變率加載時(shí)的熱功轉(zhuǎn)換系數(shù)的值接近1。該成果為精確研究材料熱力耦合下的力學(xué)行為奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

本文擬采用基于單應(yīng)力脈沖加載技術(shù)的霍普金森拉伸測(cè)試系統(tǒng)試驗(yàn)研究TC11鈦合金動(dòng)態(tài)拉伸力學(xué)行為的熱力耦合效應(yīng)；實(shí)施變溫度和變應(yīng)變率試驗(yàn)，以揭示歷史效應(yīng)對(duì)于拉伸響應(yīng)結(jié)果的影響，相關(guān)成果為建立鈦合金的本構(gòu)模型提供試驗(yàn)依據(jù)。

1　單應(yīng)力脈沖SHTB試驗(yàn)技術(shù)

應(yīng)變率102～103s-1內(nèi)的動(dòng)態(tài)拉伸測(cè)試在分離式霍普金森拉桿裝置（SHTB）上進(jìn)行。該系統(tǒng)的試驗(yàn)原理和裝置示意圖如圖1所示。與其他霍普金森拉桿測(cè)試裝置相比，該裝置的特色之處在于拉伸方波脈沖的產(chǎn)生，它基于機(jī)械濾波的思想，利用高速旋轉(zhuǎn)盤(pán)，實(shí)施雙片錘頭與撞塊的撞擊，導(dǎo)致前置金屬短桿高速?gòu)椝苄宰冃我灾聰嗔眩瑥亩谳斎霔U中產(chǎn)生經(jīng)濾波的拉伸方波脈沖。此方法所產(chǎn)生的拉伸方波脈沖平穩(wěn)，高度和寬度可在較廣范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)變率、較大變形條件下的沖擊拉伸試驗(yàn)。

圖1　旋轉(zhuǎn)盤(pán)式間接桿桿型沖擊拉伸試驗(yàn)裝置示意圖及測(cè)試原理圖

從圖1所示的Lagrange X-T圖來(lái)看，入射波在入射桿右端（試件左端面）處形成的反射波沿入射桿左行至桿左端后將成為拉伸波（二次加載波）繼續(xù)沿桿右行，對(duì)試件形成二次拉伸加載，透射波經(jīng)透射桿尾端反射也可能會(huì)對(duì)試件造成二次加載。

實(shí)現(xiàn)高應(yīng)變率拉伸加卸載試驗(yàn)的關(guān)鍵在于如何有效抑制上述入射桿和透射桿中的二次加載波以避免對(duì)試件二次加載造成試件發(fā)生新的塑性變形。借鑒Nemat-Nasser在霍普金森壓桿上實(shí)現(xiàn)單應(yīng)力脈沖技術(shù)的思想和方法，在入射桿前端增加限位塊，以保證在第一道拉伸波經(jīng)過(guò)之后，限位塊與入射桿剛好接觸，在試件左端反射的壓縮波傳遞到入射桿加載端時(shí)正好被限位機(jī)構(gòu)所吸收。在透射桿尾端，通過(guò)套筒連接吸收桿，套筒內(nèi)填充阻尼橡膠，同時(shí)試驗(yàn)過(guò)程中盡可能保證透射桿、連接套筒和吸收桿三者的共軸度，以保證透射波在套筒處的可靠傳遞和吸收。圖2給出了高應(yīng)變率拉伸加卸載試驗(yàn)裝置的示意圖。

圖2　高應(yīng)變率拉伸加卸載試驗(yàn)裝置示意圖

圖3是TC11鈦合金使用濾波裝置前后入射桿和透射桿上應(yīng)變片所獲得的典型應(yīng)變信號(hào)。由圖可見(jiàn)，加入入射桿限位塊和吸收桿后，二次加載波的幅值不到一次加載波的1/3，二次加載波得到了很好的抑制，在后續(xù)加載中試件沒(méi)有達(dá)到初始屈服點(diǎn)，試件中的變形屬于彈性變形，可以忽略其對(duì)試件材料結(jié)構(gòu)變化的影響。改進(jìn)后拉伸試驗(yàn)系統(tǒng)也為研究高應(yīng)變率加載下材料溫度歷史、應(yīng)變率歷史效應(yīng)以及高應(yīng)變率下材料熱力耦合效應(yīng)奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

圖3　高應(yīng)變率拉伸試驗(yàn)信號(hào)

2　TC11鈦合金的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)

2.1材料

試驗(yàn)所用的材料TC11棒材購(gòu)自中國(guó)寶鈦集團(tuán)，其化學(xué)成分為（wt.%）6.6Al，3.3Mo，1.8Zr，0.29Si，0.07Fe，0.01C，0.01N，0.004H，0.13O以及Ti。試驗(yàn)前，進(jìn)行雙重?zé)崽幚恚ㄏ葘?shí)施955℃2h固溶+空冷，再進(jìn)行530℃ 6h時(shí)效+空冷），一方面消除組織非均勻性，另一方面獲得綜合性能更加優(yōu)異的雙態(tài)組織。

2.2試樣

不同應(yīng)變率的拉伸試樣形狀類(lèi)似，為平板啞鈴狀。

其中動(dòng)態(tài)拉伸試樣平行段的長(zhǎng)度和圓弧倒角的半徑分別為6mm和2mm。準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試樣的平行段比動(dòng)態(tài)試樣更長(zhǎng)，為24mm，以減小試樣端面效應(yīng)的影響，從而獲得試驗(yàn)段更均勻的應(yīng)變場(chǎng)。

2.3復(fù)元測(cè)試結(jié)果

所謂復(fù)元測(cè)試即是對(duì)同一個(gè)試件加載到一定的塑性變形量，待試件冷卻至之前的環(huán)境溫度，在相同應(yīng)變率下實(shí)施再加載，如此反復(fù)的過(guò)程。由于高應(yīng)變率拉伸復(fù)元試驗(yàn)包含對(duì)同一試件的多次加卸載過(guò)程，而兩次加載之間的等待相當(dāng)于對(duì)材料短時(shí)間的應(yīng)變時(shí)效。

圖4　TC11不同應(yīng)變率時(shí)復(fù)元試驗(yàn)結(jié)果

為了考察應(yīng)變時(shí)效對(duì)復(fù)元試驗(yàn)結(jié)果的影響，圖4（a）給出了TC11在室溫293 K、準(zhǔn)靜態(tài)0.001 s-1加載時(shí)的復(fù)元拉伸測(cè)試結(jié)果。試驗(yàn)過(guò)程中利用2個(gè)TC11試件進(jìn)行不同的變形加載，編號(hào)1的曲線是1號(hào)試件在應(yīng)變率0.001s-1下加載到一定的塑性變形后卸載，等待20min左右，再在相同應(yīng)變率下再加載，如此反復(fù)過(guò)程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，20min大約為連續(xù)進(jìn)行兩次沖擊拉伸加卸載試驗(yàn)所需要的等待時(shí)間。編號(hào)2的曲線是2號(hào)試件在應(yīng)變率0.001s-1下單調(diào)加載的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。相比直接加載，TC11在卸載-再加載時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與相同應(yīng)變率和相同應(yīng)變量時(shí)連續(xù)加載曲線基本重合；在較大塑性變形量卸載時(shí)，雖然應(yīng)力-應(yīng)變曲線在屈服初期呈現(xiàn)出較小的應(yīng)力起伏，但隨后的流動(dòng)曲線與連續(xù)加載曲線仍基本重合。上述結(jié)果表明TC11在加卸載過(guò)程中短時(shí)的應(yīng)變時(shí)效對(duì)其流動(dòng)應(yīng)力基本沒(méi)有影響。

與準(zhǔn)靜態(tài)復(fù)元測(cè)試結(jié)果不同，高應(yīng)變率500s-1下的復(fù)元測(cè)試曲線（編號(hào)2）和相同應(yīng)變率下的單調(diào)連續(xù)加載曲線（編號(hào)1）存在明顯的差異，相同塑性變形量下，復(fù)元測(cè)試曲線的流動(dòng)應(yīng)力和硬化率與單調(diào)連續(xù)加載相比要高得多。造成兩者的差異主要是由于動(dòng)態(tài)加載時(shí)間短，塑性功產(chǎn)生的熱量?jī)?chǔ)存在試件中來(lái)不及耗散，高應(yīng)變率下的材料響應(yīng)是不可逆塑性功生熱和溫升引起應(yīng)力-應(yīng)變行為軟化兩個(gè)過(guò)程互動(dòng)，形成熱力耦合的過(guò)程。而在沖擊拉伸復(fù)元試驗(yàn)過(guò)程中，每次試驗(yàn)的初始環(huán)境溫度相同。通過(guò)連接每次高應(yīng)變率拉伸加卸載時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的初始屈服點(diǎn)，所組成的包絡(luò)線可認(rèn)為是該工況下的等溫應(yīng)力-應(yīng)變曲線（如圖4（b）中編號(hào)3的曲線）。

本文對(duì)TC11還實(shí)施了應(yīng)變率190s-1、不同環(huán)境溫度（253，293，423K）下的拉伸復(fù)元試驗(yàn)，并獲得了等溫塑性硬化模量隨溫度和應(yīng)變率的變化關(guān)系，如圖5所示。由圖可見(jiàn)，不同塑性應(yīng)變量下的等溫塑性硬化率隨溫度和/或應(yīng)變率的升高變化不大，TC11在本文所測(cè)試的溫度和應(yīng)變率范圍內(nèi)呈現(xiàn)出溫度和應(yīng)變率不敏感現(xiàn)象。

圖5　TC11等溫塑性硬化模量與溫度和應(yīng)變率的關(guān)系

2.4熱功轉(zhuǎn)系數(shù)的間接確定

對(duì)于單軸加載而言，某一應(yīng)變量下材料內(nèi)的溫升值可以通過(guò)功熱轉(zhuǎn)換關(guān)系式（1）計(jì)算：

式中：Wp——單位體積內(nèi)的塑性耗散功，即流動(dòng)應(yīng)

力-塑性應(yīng)變曲線下的積分面積；

ρ、Cp——材料的密度和定壓比熱容；

γ——熱功轉(zhuǎn)換系數(shù)。

本節(jié)介紹一種基于變溫度試驗(yàn)方法來(lái)確定高應(yīng)變率拉伸加載下TC11熱功轉(zhuǎn)換系數(shù)的間接方法，類(lèi)似的方法Guo和Nemat-Nasser在確定Ti-6Al-4V高應(yīng)變率壓縮加載下的熱功轉(zhuǎn)換系數(shù)時(shí)有過(guò)介紹［9-10］。該方法的基本思想是：選取兩個(gè)相同的材料試樣，其中一個(gè)試樣（編號(hào)1）在初始環(huán)境溫度T0、應(yīng)變率ε˙1時(shí)連續(xù)加載，而另一個(gè)試樣（編號(hào)2）在相同環(huán)境溫度和應(yīng)變率下被加載到某個(gè)塑性應(yīng)變量εp后卸載；任取一個(gè)較為合理的熱功轉(zhuǎn)換系數(shù)值，如η，通過(guò)式（1）計(jì)算材料內(nèi)的絕熱溫升ΔT；此時(shí)將2號(hào)試樣在相同的應(yīng)變率ε˙1、環(huán)境溫度為T(mén)0+ΔT，即變溫度下再加載。為描述方便，將上述一次連續(xù)加載、加卸載以及變溫后再加載時(shí)所獲得的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線分別記為曲線1、2和3。一般而言，曲線2和曲線1在加載部分可以完全重合，倘若曲線3在塑性加載部分與曲線1也重合，則說(shuō)明熱功轉(zhuǎn)換系數(shù)取值為η是合理的，否則重新取值進(jìn)行上述試驗(yàn)與分析。

本文利用上述思想和方法間接確定了TC11在室溫293K、應(yīng)變率500s-1的熱功轉(zhuǎn)換系數(shù)，試驗(yàn)過(guò)程如圖6所示。其中卸載時(shí)塑性變形量為5.5%，熱功轉(zhuǎn)換系數(shù)取值0.9，即溫升為26K。從圖中可以看出，TC11在應(yīng)變率500s-1、環(huán)境溫度293K加卸載，在500s-1、319K變溫度再加載時(shí)，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線與應(yīng)變率500s-1、環(huán)境溫度293K連續(xù)加載時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本重合。這個(gè)值與Macdougall等［11］利用高速紅外所測(cè)得的取值較為接近，說(shuō)明對(duì)于TC11而言，高應(yīng)變率拉伸加載時(shí)熱功轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.9是合理的。上述結(jié)果亦表明絕熱溫升是影響高應(yīng)變率加載下材料動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)的重要因素。

圖6　TC11的變溫試驗(yàn)結(jié)果

2.5歷史效應(yīng)對(duì)拉伸行為的影響

為了考察溫度歷史和應(yīng)變率歷史對(duì)TC11流動(dòng)應(yīng)力的影響，本文利用拉伸加卸載試驗(yàn)技術(shù)實(shí)施了TC11變溫度和變應(yīng)變率測(cè)試。所謂變應(yīng)變率（或溫度）測(cè)試即是對(duì)同一個(gè)TC11試件在塑性變形過(guò)程中先后經(jīng)歷不同的應(yīng)變率（或溫度）加載。

圖7～圖9分別給出了TC11在不同應(yīng)變率或溫度范圍內(nèi)的變應(yīng)變率和變溫測(cè)試結(jié)果。在圖7中，曲線3是TC11試件在拉伸過(guò)程中先后經(jīng)歷應(yīng)變率0.001s-1、塑性累計(jì)量2%，以及0.01s-1、塑性累計(jì)2.8%，再在0.001 s-1加載至斷裂時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)結(jié)果。為了對(duì)比的方便，圖中還包括了TC11在室溫應(yīng)變率分別為0.001 s-1和0.01 s-1單調(diào)連續(xù)加載時(shí)的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。從圖中可以看出，TC11在加載-卸載-變應(yīng)變率再加載時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與各應(yīng)變率下連續(xù)加載時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本重合。

圖7　室溫時(shí)0.001～0.010s-1范圍內(nèi)的變應(yīng)變率測(cè)試結(jié)果

圖8　室溫時(shí)0.001～500s-1范圍內(nèi)的變應(yīng)變率測(cè)試結(jié)果

圖9　TC11在190s-1，溫度293～573K范圍內(nèi)的變溫度測(cè)試

同時(shí)，室溫下0.001～500s-1范圍內(nèi)TC11變應(yīng)變率測(cè)試結(jié)果與準(zhǔn)靜態(tài)下的結(jié)果基本類(lèi)似。但由于高應(yīng)變率加載時(shí)材料響應(yīng)是一個(gè)絕熱過(guò)程，雖然在500s-1再加載時(shí)的流動(dòng)應(yīng)力在塑性流動(dòng)階段明顯高于500 s-1的連續(xù)加載曲線，但是其初始屈服強(qiáng)度與等溫加載曲線基本重合。以上結(jié)果說(shuō)明，應(yīng)變率歷史對(duì)TC11塑性變形過(guò)程中的流動(dòng)應(yīng)力基本沒(méi)有影響。類(lèi)似地，在應(yīng)變率190s-1、環(huán)境溫度293～573K范圍內(nèi)的變溫度測(cè)試中，TC11在經(jīng)歷573K加載、卸載冷卻至293K再加載時(shí)，其初始屈服強(qiáng)度與293K、相同應(yīng)變率時(shí)的等溫加載曲線基本重合，在測(cè)試的范圍內(nèi)TC11的流動(dòng)應(yīng)力對(duì)溫度歷史的依賴也并不明顯。

3　結(jié)束語(yǔ)

本文采用基于單脈沖加載技術(shù)的霍普金森拉伸測(cè)試系統(tǒng)試驗(yàn)研究了TC11鈦合金動(dòng)態(tài)拉伸力學(xué)行為的熱力耦合效應(yīng)、溫度和應(yīng)變率歷史效應(yīng)對(duì)于拉伸響應(yīng)結(jié)果的影響。結(jié)果表明：等溫塑性硬化行為在測(cè)試的溫度和應(yīng)變率范圍內(nèi)呈現(xiàn)出溫度和應(yīng)變率不敏感特征，高應(yīng)變率加載下的瞬態(tài)絕熱溫升是引起材料應(yīng)變硬化率明顯降低的主要原因。高應(yīng)變率加載時(shí)TC11的熱功轉(zhuǎn)換系數(shù)約為0.9，在本文測(cè)試溫度213～573 K和應(yīng)變率0.001～500s-1范圍內(nèi)其拉伸力學(xué)行為無(wú)明顯的溫度和應(yīng)變率歷史效應(yīng)。

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（編輯：李妮）

A single pulse loading method of split-Hopkinson tension bar and its application in the tension behavior of titanium alloy

ZHANG Jun1，WANG Yang2
（1.Institute of Systems Engineering，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621999，China；2.Department of Modern Mechanics，University of Science and Technology of China，Hefei 230027，China）

In order to understand and evaluate the thermal-mechanically dependent behavior of titanium alloy，the uniaxial tension tests and recovery tests are performed to obtain the adiabatic and isothermal stress-strain curves at strain rates ranging from 102s-1to 103s-1respectively on a single pulse loading SHTB.The variable temperature and strain rate tests are conducted to study the history effect on the constitutive model.Experimental results indicate that there is a positive strain-rate sensitivity and a thermal-softening effect with respect to the initial yield behavior. Meanwhile，the strain hardening behavior shows insensitive on the strain rates and/or temperatures. The adiabatic temperature rise is the main reason that strain hardening rate of titanium alloy decreases to instability.The temperature and strain rate jump tests indicate that the value of temperature rise conversion coefficient is 0.9，approximately.The tensile mechanical behavior has no apparent history effects on strain rate and temperature.The corresponding progress may lay the experimental foundation for the constitutive model of titanium alloy.

titanium alloy；strain rate；adiabatic temperature rise；history effect

A

1674-5124（2016）10-0123-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.10.023

2016-04-25；

2016-06-03

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11172288）

張軍（1988-），男，重慶市人，助理研究員，博士，主要從事鈦合金動(dòng)態(tài)力學(xué)行為研究。