張　軍，汪　洋

（1.中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621999；2.中國科學技術大學近代力學系，安徽 合肥 230027）

單脈沖加載技術及其在鈦合金拉伸行為研究中的應用

張軍1，汪洋2

（1.中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621999；2.中國科學技術大學近代力學系，安徽 合肥 230027）

為精確評價鈦合金熱率相關的力學行為，利用沖擊拉伸試驗系統(tǒng)和基于單應力脈沖加載的沖擊拉伸復元試驗技術分別獲得TC11鈦合金在高應變率（102～103s-1）范圍內的絕熱應力-應變曲線和等溫應力-應變曲線，實現(xiàn)拉伸響應的熱力解耦；利用沖擊拉伸加卸載試驗技術實施變溫度和變應變率測試，研究歷史效應對于本構行為的影響。結果表明：TC11的初始屈服行為呈現(xiàn)溫度軟化和應變率強化特性，而等溫塑性應變硬化行為表現(xiàn)出溫度和應變率不敏感特征，瞬態(tài)絕熱溫升是導致材料動態(tài)應變硬化率降低的主要原因；高應變率加載時材料內的熱功轉換系數(shù)約為0.9，且其拉伸力學行為無明顯的溫度和應變率歷史效應。實驗結果為建立鈦合金的本構模型奠定試驗基礎。

鈦合金；應變率；絕熱溫升；歷史效應

0　引　言

α+β型鈦合金以其高比強度、優(yōu)異的中低溫性能、高損傷容限等優(yōu)點，廣泛應用于導彈、航空、艦船等軍事和民用領域［1-2］。由于上述結構和部件服役中不可避免承受高應變率等極端條件，且相比于準靜態(tài)，動態(tài)加載時間短，塑性功產生的熱量來不及耗散，會引起試件的溫度不斷上升。因此，高應變率下鈦合金的力學響應是應變硬化、應變率強化和溫升軟化效應相互耦合的結果［3-4］。此外，實際沖擊工程中結構和部件可能在發(fā)生首次塑性變形和損傷累計后，遭遇二次甚至多次變溫度、變應變率再加載，即材料在較大跨度內經歷了溫度和應變率的不斷變化，該問題涉及材料的溫度歷史和應變率歷史效應［5］。因此，有必要深刻理解高應變率加載下熱力耦合效應、溫度和應變率歷史效應對材料力學行為的影響。

霍普金森測試系統(tǒng)以其結構簡單、操作方便，被認為是獲得在高應變率加載條件下材料力學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現(xiàn)了單應力脈沖加載技術，該技術經不斷改進，進而實現(xiàn)了高應變率壓縮下的復元實驗、高應變率壓縮下的變溫度實驗和變應變率實驗［6-8］。Guo等［9］利用該技術在霍普金森壓桿上分別實施了沖擊復元實驗，獲得了Ti-6Al-4V高應變率加載時的等溫壓縮應力-應變曲線，實現(xiàn)了沖擊壓縮加載時材料力學性能的熱力解耦，證實了高應變率下鈦合金應變硬化率降低的原因是絕熱溫升軟化；同時，通過變溫加載實驗，間接地確定了高應變率加載時的熱功轉換系數(shù)的值接近1。該成果為精確研究材料熱力耦合下的力學行為奠定了實驗基礎。

本文擬采用基于單應力脈沖加載技術的霍普金森拉伸測試系統(tǒng)試驗研究TC11鈦合金動態(tài)拉伸力學行為的熱力耦合效應；實施變溫度和變應變率試驗，以揭示歷史效應對于拉伸響應結果的影響，相關成果為建立鈦合金的本構模型提供試驗依據(jù)。

1　單應力脈沖SHTB試驗技術

應變率102～103s-1內的動態(tài)拉伸測試在分離式霍普金森拉桿裝置（SHTB）上進行。該系統(tǒng)的試驗原理和裝置示意圖如圖1所示。與其他霍普金森拉桿測試裝置相比，該裝置的特色之處在于拉伸方波脈沖的產生，它基于機械濾波的思想，利用高速旋轉盤，實施雙片錘頭與撞塊的撞擊，導致前置金屬短桿高速彈塑性變形以致斷裂，從而在輸入桿中產生經濾波的拉伸方波脈沖。此方法所產生的拉伸方波脈沖平穩(wěn)，高度和寬度可在較廣范圍內調節(jié)，以實現(xiàn)不同應變率、較大變形條件下的沖擊拉伸試驗。

圖1　旋轉盤式間接桿桿型沖擊拉伸試驗裝置示意圖及測試原理圖

從圖1所示的Lagrange X-T圖來看，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，對試件形成二次拉伸加載，透射波經透射桿尾端反射也可能會對試件造成二次加載。

實現(xiàn)高應變率拉伸加卸載試驗的關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現(xiàn)單應力脈沖技術的思想和方法，在入射桿前端增加限位塊，以保證在第一道拉伸波經過之后，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正好被限位機構所吸收。在透射桿尾端，通過套筒連接吸收桿，套筒內填充阻尼橡膠，同時試驗過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給出了高應變率拉伸加卸載試驗裝置的示意圖。

圖2　高應變率拉伸加卸載試驗裝置示意圖

圖3是TC11鈦合金使用濾波裝置前后入射桿和透射桿上應變片所獲得的典型應變信號。由圖可見，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)加載中試件沒有達到初始屈服點，試件中的變形屬于彈性變形，可以忽略其對試件材料結構變化的影響。改進后拉伸試驗系統(tǒng)也為研究高應變率加載下材料溫度歷史、應變率歷史效應以及高應變率下材料熱力耦合效應奠定了實驗基礎。

圖3　高應變率拉伸試驗信號

2　TC11鈦合金的動態(tài)力學響應

2.1材料

試驗所用的材料TC11棒材購自中國寶鈦集團，其化學成分為（wt.%）6.6Al，3.3Mo，1.8Zr，0.29Si，0.07Fe，0.01C，0.01N，0.004H，0.13O以及Ti。試驗前，進行雙重熱處理（先實施955℃2h固溶+空冷，再進行530℃ 6h時效+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

不同應變率的拉伸試樣形狀類似，為平板啞鈴狀。

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

2.3復元測試結果

所謂復元測試即是對同一個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，在相同應變率下實施再加載，如此反復的過程。由于高應變率拉伸復元試驗包含對同一試件的多次加卸載過程，而兩次加載之間的等待相當于對材料短時間的應變時效。

圖4　TC11不同應變率時復元試驗結果

為了考察應變時效對復元試驗結果的影響，圖4（a）給出了TC11在室溫293 K、準靜態(tài)0.001 s-1加載時的復元拉伸測試結果。試驗過程中利用2個TC11試件進行不同的變形加載，編號1的曲線是1號試件在應變率0.001s-1下加載到一定的塑性變形后卸載，等待20min左右，再在相同應變率下再加載，如此反復過程的應力-應變曲線，20min大約為連續(xù)進行兩次沖擊拉伸加卸載試驗所需要的等待時間。編號2的曲線是2號試件在應變率0.001s-1下單調加載的應力-應變曲線。相比直接加載，TC11在卸載-再加載時的應力-應變曲線與相同應變率和相同應變量時連續(xù)加載曲線基本重合；在較大塑性變形量卸載時，雖然應力-應變曲線在屈服初期呈現(xiàn)出較小的應力起伏，但隨后的流動曲線與連續(xù)加載曲線仍基本重合。上述結果表明TC11在加卸載過程中短時的應變時效對其流動應力基本沒有影響。

與準靜態(tài)復元測試結果不同，高應變率500s-1下的復元測試曲線（編號2）和相同應變率下的單調連續(xù)加載曲線（編號1）存在明顯的差異，相同塑性變形量下，復元測試曲線的流動應力和硬化率與單調連續(xù)加載相比要高得多。造成兩者的差異主要是由于動態(tài)加載時間短，塑性功產生的熱量儲存在試件中來不及耗散，高應變率下的材料響應是不可逆塑性功生熱和溫升引起應力-應變行為軟化兩個過程互動，形成熱力耦合的過程。而在沖擊拉伸復元試驗過程中，每次試驗的初始環(huán)境溫度相同。通過連接每次高應變率拉伸加卸載時應力-應變曲線的初始屈服點，所組成的包絡線可認為是該工況下的等溫應力-應變曲線（如圖4（b）中編號3的曲線）。

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

圖5　TC11等溫塑性硬化模量與溫度和應變率的關系

2.4熱功轉系數(shù)的間接確定

對于單軸加載而言，某一應變量下材料內的溫升值可以通過功熱轉換關系式（1）計算：

式中：Wp——單位體積內的塑性耗散功，即流動應

力-塑性應變曲線下的積分面積；

ρ、Cp——材料的密度和定壓比熱容；

γ——熱功轉換系數(shù)。

本節(jié)介紹一種基于變溫度試驗方法來確定高應變率拉伸加載下TC11熱功轉換系數(shù)的間接方法，類似的方法Guo和Nemat-Nasser在確定Ti-6Al-4V高應變率壓縮加載下的熱功轉換系數(shù)時有過介紹［9-10］。該方法的基本思想是：選取兩個相同的材料試樣，其中一個試樣（編號1）在初始環(huán)境溫度T0、應變率ε˙1時連續(xù)加載，而另一個試樣（編號2）在相同環(huán)境溫度和應變率下被加載到某個塑性應變量εp后卸載；任取一個較為合理的熱功轉換系數(shù)值，如η，通過式（1）計算材料內的絕熱溫升ΔT；此時將2號試樣在相同的應變率ε˙1、環(huán)境溫度為T0+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所獲得的真應力-真應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，則說明熱功轉換系數(shù)取值為η是合理的，否則重新取值進行上述試驗與分析。

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

圖6　TC11的變溫試驗結果

2.5歷史效應對拉伸行為的影響

為了考察溫度歷史和應變率歷史對TC11流動應力的影響，本文利用拉伸加卸載試驗技術實施了TC11變溫度和變應變率測試。所謂變應變率（或溫度）測試即是對同一個TC11試件在塑性變形過程中先后經歷不同的應變率（或溫度）加載。

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

圖7　室溫時0.001～0.010s-1范圍內的變應變率測試結果

圖8　室溫時0.001～500s-1范圍內的變應變率測試結果

圖9　TC11在190s-1，溫度293～573K范圍內的變溫度測試

同時，室溫下0.001～500s-1范圍內TC11變應變率測試結果與準靜態(tài)下的結果基本類似。但由于高應變率加載時材料響應是一個絕熱過程，雖然在500s-1再加載時的流動應力在塑性流動階段明顯高于500 s-1的連續(xù)加載曲線，但是其初始屈服強度與等溫加載曲線基本重合。以上結果說明，應變率歷史對TC11塑性變形過程中的流動應力基本沒有影響。類似地，在應變率190s-1、環(huán)境溫度293～573K范圍內的變溫度測試中，TC11在經歷573K加載、卸載冷卻至293K再加載時，其初始屈服強度與293K、相同應變率時的等溫加載曲線基本重合，在測試的范圍內TC11的流動應力對溫度歷史的依賴也并不明顯。

3　結束語

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

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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

國家自然科學基金項目（11172288）

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