金屬材料重復(fù)沖擊拉伸試驗方法研究

錢誠成 白春玉 楊強(qiáng) 楊素淞 王標(biāo) 胡偉平 詹志新

摘要：為研究航空典型金屬材料的重復(fù)沖擊拉伸力學(xué)性能，自主設(shè)計加工了一套重復(fù)沖擊拉伸試驗裝置，在Instron 9350型落錘沖擊試驗機(jī)上實現(xiàn)了圓棒狀TC18鈦合金試件的重復(fù)沖擊拉伸加載試驗。試驗測試得到TC18鈦合金試件在不同沖擊能量加載下的沖擊載荷—時間歷程和沖擊次數(shù)。建立了沖擊拉伸過程的有限元計算模型，分別采用按沖擊速度加載和按沖擊載荷—時間歷程加載兩種方式，計算了試件軸力—時間歷程以及等效塑性應(yīng)變—時間歷程。沖擊載荷—時間歷程曲線的重復(fù)性，以及數(shù)值計算中錘頭速度—時間歷程結(jié)果表明了試驗方法的可行性和適用性。兩種加載方式下等效塑性應(yīng)變-時間歷程對比為后續(xù)進(jìn)一步建立合適的重復(fù)沖擊數(shù)值計算模型提供了重要參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：重復(fù)沖擊拉伸；試驗裝置；落錘沖擊試驗機(jī)；TC18鈦合金；沖擊載荷

中圖分類號：V215.5+2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.12.011

基金項目：航空科學(xué)基金（20184151017，202041051001）

承受重復(fù)沖擊載荷作用的結(jié)構(gòu)件在工程應(yīng)用中廣泛存在，如航母艦載機(jī)的攔阻鉤、槍械上的撞針、鉆機(jī)的牙輪等[1]。這些結(jié)構(gòu)件在多次沖擊載荷作用下，薄弱位置逐漸發(fā)生損傷并累積，經(jīng)過一定次數(shù)沖擊后產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展至斷裂[2]，往往會釀成重大安全事故，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。有研究表明，材料的沖擊疲勞性能與經(jīng)常規(guī)疲勞性能存在較大差異，材料的變形規(guī)律、疲勞強(qiáng)度、裂紋萌生特性、裂紋擴(kuò)展特性均存在差異[3]。因此，研究這些受重復(fù)沖擊載荷作用結(jié)構(gòu)件的疲勞損傷機(jī)理、損傷累積規(guī)律、疲勞壽命影響因素等對抗沖擊疲勞工程結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化和沖擊疲勞壽命預(yù)估具有重大意義[4]。試驗研究是進(jìn)行理論研究的重要基礎(chǔ)，目前國內(nèi)外研制的沖擊試驗機(jī)大多為擺錘式或落錘式試驗機(jī)，其基本原理是利用自由落體的速度對試驗件實現(xiàn)沖擊加載，通過調(diào)整釋放高度以及釋放重物的質(zhì)量，達(dá)到預(yù)期的撞擊速度或者撞擊能量[5]。現(xiàn)有的重復(fù)沖擊動力學(xué)問題研究的大多是沖擊壓縮與沖擊彎曲問題，通過現(xiàn)有沖擊試驗機(jī)比較容易實現(xiàn)這兩種形式的加載，如Sun等[6]在研究AerMet100鋼沖擊疲勞性能時，采取的試驗方法為缺口梁的沖擊三點彎曲；Gao等[7]在研究缺口試驗件低速沖擊疲勞壽命時，采取的試驗方法為懸臂梁沖擊彎曲；趙凱等[8]在研究沖擊載荷下彈簧鋼的多軸疲勞行為時，采取電液伺服材料試驗機(jī)施加拉-扭沖擊載荷。

然而，在相當(dāng)一部分的工程實際應(yīng)用中，結(jié)構(gòu)件常常承受重復(fù)沖擊拉伸載荷作用，如航空母艦載機(jī)在著艦過程中其攔阻鉤的受力狀態(tài)[9]。不少金屬材料的拉伸和壓縮力學(xué)性能存在一定的差異性[5]，這會導(dǎo)致它們的沖擊疲勞壽命也有所不同。對于這一類問題的研究，在試驗方面實現(xiàn)對金屬試件的沖擊拉伸加載具有重要意義，也將為后續(xù)全面研究金屬材料的沖擊疲勞性能奠定基礎(chǔ)。本文設(shè)計加工了一套沖擊拉伸試驗裝置，在Instron 9350型落錘沖擊試驗機(jī)上實現(xiàn)了圓棒狀TC18鈦合金試件的重復(fù)沖擊拉伸加載，采集到不同沖擊能量下的沖擊載荷時間歷程。然后建立了模擬沖擊拉伸過程的有限元模型，并分別采用按沖擊速度和按沖擊載荷—時間歷程兩種加載方式，計算了試件的軸力—時間歷程，表明了試驗方案的可行性與適用性。

1試驗方案設(shè)計

1.1試驗?zāi)康?/p>

本文為了測試金屬材料重復(fù)沖擊力學(xué)性能，以及沖擊疲勞壽命制訂了一套重復(fù)沖擊拉伸試驗方案，其主要目的是通過試驗數(shù)據(jù)驗證試驗方案的可行性，為后續(xù)深入研究金屬材料沖擊疲勞問題提供試驗基礎(chǔ)。

本文中重復(fù)沖擊拉伸試驗是在Instron 9350型落錘沖擊試驗機(jī)上完成的，試驗機(jī)如圖1所示。該試驗機(jī)的沖擊能量范圍為0.59～1800J，模擬沖擊速度范圍為0.75～24m/s。試驗機(jī)由移動控制系統(tǒng)、定位裝置、升降裝置、防回彈裝置、捕捉裝置、緩沖裝置、載物臺組成。試驗系統(tǒng)具備沖擊載荷數(shù)據(jù)采集、曲線繪制、報告編輯等功能。

1.2沖擊拉伸試驗裝置設(shè)計

根據(jù)試驗機(jī)的接口信息設(shè)計了如圖2所示的沖擊拉伸疲勞試驗裝置，將錘頭自由落體運動產(chǎn)生的沖擊載荷轉(zhuǎn)化為對試件的沖擊拉伸載荷。整個試驗裝置由錘頭、連接蓋板、支座、下夾頭、底座、連接螺釘、限位壓條、固定螺釘、棒狀試驗件和鎖緊螺母組成。

支座設(shè)計如圖3所示，內(nèi)部為圓柱體空腔，兩側(cè)開有對稱矩形引導(dǎo)槽，頂部中心為？10圓形通孔，底部有定位凹槽；下夾頭如圖4所示，圓盤中心為M10螺紋通孔，圓盤兩側(cè)為伸出的凸臺砧座。

試驗件安裝步驟：（1）試驗裝置底座通過螺栓和試驗機(jī)載物臺固定連接，將試驗機(jī)的錘頭更換為圖2中的錘頭；（2）圓棒試驗件下夾持段通過螺紋以及雙螺母與下夾頭固定鎖緊；（3）圓棒試驗件上夾持段穿過支座的頂部中心圓孔，通過雙螺母與支座鎖緊固定，下夾頭位于支座的內(nèi)部空腔中，裝配后確保下夾頭兩側(cè)凸臺不與支座引導(dǎo)槽接觸；（4）連接蓋板通過連接螺釘與下夾頭的兩側(cè)凸臺連接；（5）支座通過底部定位凹槽與底座上的定位凸臺對接來定位，再通過壓條、螺釘將支座固定在底座上。沖擊拉伸試驗裝置裝配完成后的狀態(tài)如圖5所示。在落錘沖擊試驗過程中，錘頭施加在試驗裝置上的沖擊載荷通過下夾頭傳遞給試驗件，實現(xiàn)對試驗件的沖擊拉伸加載。

1.3試驗件設(shè)計

本文試驗件采用的材料是TC18鈦合金，是一種高強(qiáng)度、耐腐蝕的α-β兩相合金，同時具有塑性低、導(dǎo)熱系數(shù)低等特點，被廣泛應(yīng)用航空航天、船舶和武器工業(yè)[10]。TC18鈦合金的主要化學(xué)成分見表1，靜態(tài)力學(xué)性能參數(shù)見表2。

應(yīng)變率的大小不僅取決于加載速度的大小，還取決于試驗件的尺寸。相同加載速度下，試驗件的尺寸越小，其變形的應(yīng)變率就越大。因此在設(shè)計沖擊拉伸試驗件時，試驗段的尺寸不宜過大。最終設(shè)計的試驗件在沖擊能量6～30J的范圍內(nèi)，應(yīng)變率能達(dá)到50～200s-1。

沖擊拉伸試驗件幾何尺寸如圖6所示，兩端夾持段為螺紋段，中間試驗段長5mm，截面直徑5mm。

根據(jù)試驗機(jī)的試驗條件和試驗測試目標(biāo)，選取一種典型工況（沖擊能量約20J）進(jìn)行單次沖擊模擬。試驗件中心處單元的應(yīng)變—時間曲線如圖7所示，加載段的平均應(yīng)變率達(dá)到了150s-1，處于低速動態(tài)范圍，試驗件尺寸設(shè)計合理。

2試驗結(jié)果分析

2.1試驗結(jié)果

為了獲得不同高應(yīng)變率下試件的沖擊響應(yīng)與沖擊壽命，一共進(jìn)行了4個能量級別的重復(fù)沖擊試驗。試驗結(jié)果見表3，斷裂失效后的試驗件如圖8所示。

1號試驗件3次沖擊過程的載荷—時間歷程如圖9（a）所示；2號試驗件7次沖擊過程的載荷—時間歷程如圖9（b）所示；3號試驗件的部分沖擊載荷—時間歷程如圖9（c）所示；4號試驗件的部分沖擊載荷—時間歷程如圖9（d）所示。由圖9可以看出，相同沖擊能量下，除最后一次沖擊過程，前面的沖擊過程載荷—時間歷程重復(fù)性很好。

2.2試驗數(shù)據(jù)處理

在首次沖擊過程中，錘頭的速度—時間關(guān)系、位移—時間關(guān)系分別如圖10、圖11所示。

為了對比按沖擊速度和按沖擊載荷—時間歷程兩種加載方式下試驗件的力學(xué)響應(yīng)，并且由試驗數(shù)據(jù)可知，試驗件沖擊破壞之前，每次沖擊的載荷—時間曲線差別并不明顯，故將前N-1次的沖擊載荷—時間歷程的均值作為代表性沖擊載荷曲線，用以計算試驗件的沖擊響應(yīng)。需要說明的是，這種處理方法沒有考慮材料損傷對沖擊響應(yīng)的影響，僅僅是通過一種數(shù)據(jù)處理方法得到代表性沖擊載荷曲線，便于數(shù)值計算。

但在實際數(shù)值計算中，若按傳感器測得的載荷—時間歷程加載，由于加載曲線抖動劇烈，會嚴(yán)重影響計算效率，尤其當(dāng)進(jìn)行重復(fù)沖擊加載計算時。因此，對取均值之后的沖擊載荷—時間數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，得到更為光順的沖擊載荷—時間歷程曲線，如圖12所示。

3沖擊過程的數(shù)值模擬

3.1按沖擊載荷—時間歷程加載數(shù)值計算

將以試驗機(jī)傳感器測得的載荷—時間歷程為基礎(chǔ)并進(jìn)行平均化和濾波處理后的載荷—時間曲線作為載荷條件，并采用如圖13所示有限元計算模型。在該模型中不存在錘頭。另外，考慮到?jīng)_擊過程的計算較為復(fù)雜，為提高計算效率，首先對模型做出以下簡化：（1）假設(shè)連接蓋板為剛體，外載荷直接施加在蓋板中心處；（2）通過對試驗件上夾持段固定約束（邊界條件）替代支座；（3）試驗件下夾持段與下夾頭綁定，下夾頭與連接蓋板綁定。網(wǎng)格劃分采用C3D8R單元，最小單元尺寸約為0.4mm×0.4mm×0.2mm。

采用ABAQUS軟件顯式動力求解器進(jìn)行數(shù)值模擬，試驗件的應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系參見式（4），其硬化模式為各向同性硬化，塑性應(yīng)變增量遵循正則流動法則[13]。

3.1.1單次沖擊的計算結(jié)果

4次數(shù)值模擬沖擊得到的試驗件軸力—時間歷程如圖14所示，與輸入載荷（見圖12）相比，波形變化趨勢一致。圖15對比了沖擊速度為2.5m/s時對應(yīng)的輸入載荷和試件軸力時間歷程，曲線整體右移，數(shù)值大于輸入載荷。這是由于有限元計算采用的顯示動力學(xué)方法，考慮了慣性力的影響以及沖擊響應(yīng)效應(yīng)，因此試件中心截面的軸力與輸入載荷并不同步，且數(shù)值大小也有所差別。

3.1.2多次沖擊的計算結(jié)果

各種載荷條件下重復(fù)加載時試件試驗段平均等效塑性應(yīng)變累積過程如圖16所示。從圖16可以看出，隨著沖擊速度的增加，單次沖擊時的試驗段的平均等效塑性應(yīng)變增量也增加。但是累計等效塑性應(yīng)變與每種沖擊速度下的總沖擊次數(shù)有關(guān)，這部分計算結(jié)果還需要進(jìn)一步的試驗測試來驗證。

3.2按沖擊速度加載數(shù)值計算

本節(jié)在前述建立的沖擊拉伸模擬的有限元模型基礎(chǔ)上，改變加載方式，將蓋板設(shè)定為彈性體，錘頭簡化為剛體，通過在錘頭上施加速度載荷，計算試樣的沖擊響應(yīng)，并與采用載荷—時間曲線的加載方式進(jìn)行對比，為建立沖擊過程模擬的數(shù)值計算方法提供重要的參考依據(jù)。計算模型如圖17所示。對錘頭除豎直方向外的其他自由度進(jìn)行約束，試件單元類型為C3D8R單元，最小單元尺寸約為0.4mm× 0.4mm×0.2mm。

3.2.1單次沖擊的計算結(jié)果

圖18、圖19分別展示了單次沖擊過程中錘頭的速度變化曲線和位移變化曲線。從速度—時間曲線來看，4種初始沖擊速度加載情況下，錘頭反彈后脫離接觸的速度相近，約為1m/s，這與2.2節(jié)的積分結(jié)果比較吻合。數(shù)值模擬中錘頭位移與2.2節(jié)積分結(jié)果的差異可歸結(jié)為數(shù)值計算模型與實際試驗的差異。另外，試驗采用的TC18鈦合金試驗件的動態(tài)本構(gòu)借鑒的參考文獻(xiàn)[12]中的結(jié)果，可能與試驗所用試件材料因加工工藝、表面處理方式不同而本構(gòu)關(guān)系有所不同，這也會造成錘頭位移的差異。但不同速度級別的沖擊過程中，錘頭位移的相對變化趨勢與2.2節(jié)積分結(jié)果一致。

不同沖擊速度下試件的軸力—時間曲線如圖20所示，V=2.5m/s時的軸力—時間歷程與圖14對比，如圖21所示。兩種加載方式下的試件中心截面軸力—時間歷程相似，數(shù)值大小近似，但按載荷—時間歷程加載時，試件軸力—時間歷程曲線相對速度加載情況下整體右移，沖擊載荷傳播速度略小于按沖擊速度加載方式時的情況。

3.2.2多次沖擊的計算結(jié)果

圖22為試件試驗段平均等效塑性應(yīng)變—時間歷程曲線，與圖16相比，相同次數(shù)沖擊加載下，按沖擊速度加載時試件試驗段平均等效塑性應(yīng)變偏大。其原因可歸結(jié)為：按速度加載時數(shù)值模型與實際情況的差別的影響。如模型中落錘沖擊過程無摩擦、無阻尼；模型中試件上夾持段設(shè)置完全剛性邊界條件；錘頭簡化為剛體；并對除Z方向外的其他位移進(jìn)行約束；沖擊位置與實際試驗相比過于精確。這些因素都會導(dǎo)致數(shù)值模擬過程的沖擊載荷大于實際沖擊載荷。

按照沖擊載荷—時間歷程加載的數(shù)值方法首先需要獲取沖擊載荷譜，這對于構(gòu)件的沖擊疲勞性能預(yù)測來說存在困難。但按沖擊速度加載方式得到的計算結(jié)果偏大。通過兩種加載方式計算結(jié)果的對比，再結(jié)合后續(xù)試驗應(yīng)變的測量，對按速度沖擊加載方式數(shù)值計算模型進(jìn)行修正（如數(shù)值模型中加入阻尼），則是建立合適的重復(fù)沖擊數(shù)值計算模型的可行之法。

4結(jié)論

本文為研究典型航空材料的沖擊疲勞性能，設(shè)計了一套沖擊拉伸疲勞試驗裝置，并將該裝置應(yīng)用于Instron 9350型落錘試驗機(jī)上，驗證了所設(shè)計試驗裝置和試驗方法的可行性。通過不同沖擊能量下圓棒試件的重復(fù)沖擊拉伸試驗，得到了對應(yīng)的重復(fù)沖擊次數(shù)，以及每次沖擊時的載荷—時間歷程，進(jìn)一步驗證了試驗裝置的穩(wěn)定性。再進(jìn)一步建立了試件重復(fù)沖擊過程模擬的有限元模型，計算了按沖擊載荷—時間歷程和按沖擊速度兩種加載方式下的沖擊響應(yīng)，得到的試驗件的軸力—時間歷程基本相似，但按沖擊速度加載時得到的試樣軸力要略大，而且載荷傳播速度也略快。該計算結(jié)果為后續(xù)進(jìn)一步建立合適的重復(fù)沖擊數(shù)值計算模型提供了重要參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]王學(xué)顏，宋廣惠.結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度設(shè)計與失效分析[M].北京：兵器工業(yè)出版社，1992. Wang Xueyan， Song Guanghui. Structural fatigue strength design and failure analysis[M]. Beijing： Ordnance Industry Press，1992.（in Chinese）

[2]郭玉佩，王彬文，楊強(qiáng)，等.航空材料的沖擊疲勞問題研究進(jìn)展與展望[J].航空工程進(jìn)展， 2020，11（5）：1-9. Guo Yupei， Wang Binwen， Yang Qiang， et al. Research progress and prospect of impact fatigue of aeronautical materials[J]. Progress in Aeronautical Engineering， 2020，11（5）： 1-9.（in Chinese）

[3]楊素淞，白春玉，楊強(qiáng)，等.金屬材料與結(jié)構(gòu)沖擊疲勞問題研究綜述[J].航空科學(xué)技術(shù)，2021，32（2）：1-13. Yang Susong， Bai Chunyu， Yang Qiang， et al. Review on impactfatigueofmetalmaterialsandstructures[J]. Aeronautical Science & Technology， 2021， 32（2）： 1-13.（in Chinese）

[4]劉小川，王彬文，白春玉，等.航空結(jié)構(gòu)沖擊動力學(xué)技術(shù)的發(fā)展與展望[J].航空科學(xué)技術(shù)，2020，31（3）：1-14. Liu Xiaochuan， Wang Binwen， Bai Chunyu， et al. Progress and prospect of aviation structure impact dynamics[J]. Aeronautical Science & Technology， 2020，31（3）：1-14.（in Chinese）

[5]余同希，邱信明.沖擊動力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011. Yu Tongxi， Qiu Xinming. Impact dynamics[M]. Beijing： Tsinghua University Press， 2011.（in Chinese）

[6]Sun Q，Liu X R，Liang K. Impact fatigue life prediction for notched specimen of steel AerMet100 subjected to high strain rate loading[J]. International Journal of Applied Mechanics，2018：S1758825118500308.

[7]Gao D Y，Yao W X，Wen W D，et al. Critical distance model for the fatigue life analysis under low-velocity impacts of notched specimens[J]. International Journal of Fatigue，2021，146：106164.

[8]趙凱，何玉懷，劉新靈，等.沖擊載荷下50CrVA彈簧鋼的多軸疲勞行為研究[J].航空科學(xué)技術(shù)，2014，25（7）：68-72. Zhao Kai， He Yuhuai， Liu Xinling， et al. Multiaxial fatigue behavior of 50CrVA spring steel under impact loading[J]. Aeronautical Science & Technology， 2014， 25（7）： 68-72.（in Chinese）

[9]楊全偉.艦載飛機(jī)攔阻鉤載荷實測方法研究[J].航空學(xué)報， 2014， 36（4）： 1162-1168. Yang Quanwei. Research on measurement method of arresting hook load of carrier-based aircraft[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2014， 36（4）： 1162-1168.（in Chinese）

[10]Boyer R R. An overview on the use of titanium in the aerospace industry[J]. Materials Science and Engineering：A，1996，213：103-114.

[11]Chen X，Soveja A，Chaussumier M，et al. Effect of MEVVA ion implantation on fatigue properties of TC18 titanium alloy[J]. Surface and Coatings Technology，2018，344，：572-578.

[12]Zhang C M，Mu A，Wang Y，et al. Study on dynamic mechanical properties and constitutive model construction of TC18 titanium alloy[J]. Metals，2020，10（1）：44.

[13]王勖成.有限單元法[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003. Wang Xucheng. Finite element method[M]. Beijing： Tsinghua University Press，2003.（in Chinese）

Research on Repeated Impact Tensile Test Method for Metallic Materials

Qian Chengcheng1，Bai Chunyu2，Yang Qiang2，Yang Susong1，Wang Biao1，Hu Weiping1，Zhan Zhixin1

1. Beihang University，Beijing 100191，China

2. Aviation Key Laboratory of Technology and Science on Structure Impact Dynamics，AVIC Aircraft Strength Research Institute，Xian 710065，China

Abstract： In order to study the mechanical properties of typical aeronautical metal materials by repeated impact tensile test， a set of special jig for repeated impact tensile test is self-designed and manufactured. The repeated impact tensile test of TC18 titanium alloy specimen with round shape is carried out on Instron 9350 type drop hammer impact test machine. The impact load-time histories and impact times of TC18 titanium alloy specimens under different impact energy loading are obtained. The finite element model of impact tensile process is established， and the axial force-time histories and the equivalent plastic strain-time histories of the specimens are calculated by the impact velocity loadings and the impact load-time histories respectively. The repeatability of the impact load-time history curves and the computed velocity-time histories of the hammer verifies the feasibility and applicability of the test method. The comparison between equivalent plastic strain-time histories under the two loading modes provides important references for the further establishment of appropriate numerical calculation model of repeated impact.

Key Words： repeated impact tensile； special jig of test； drop hammer impact test machine； TC18 titanium alloy； impact load