纯钒的动态压缩力学性能实验研究

谢若泽，胡文军，黄西成，张方举

（中国工程物理研究院总体工程研究所，四川 绵阳 621900）

纯钒的动态压缩力学性能实验研究

谢若泽，胡文军，黄西成，张方举

（中国工程物理研究院总体工程研究所，四川 绵阳 621900）

为研究纯钒在常温下的动态压缩力学性能，采用霍普金森压杆（SHPB）对其进行应变率效应实验并采用应变冻结法对其进行应变累积实验，给出纯钒在常温下的动态压缩应力应变曲线，研究应变历史对材料性能的影响，并与电弧熔炼钒合金进行比较，结果表明：在应变率为4430s-1时，纯钒的流变应力为564MPa，比应变率810s-1时的437MPa提高29%，纯钒具有明显的应变率效应；应变历史虽然对纯钒有影响，但其影响并不强烈；电弧熔炼钒合金的强度远高于纯钒。

纯钒；动态压缩；应变率；应变历史

0　引　言

钒及钒合金由于具有低的辐照活化性、优良的机械性能、与锂的强兼容性、高的热传导率以及优良的抗辐照性能，因而在核聚变反应堆的壁层设计和壳体设计中具有较强的优势［1-2］。国内外对钒及钒合金已进行了多方面的研究工作，其中大多集中于材料制备和环境因素对材料性能的影响：如合金、杂质元素以及热处理工艺对合金性能的影响，钒合金的高温氧化问题，钒合金的氢脆、氦脆性能，中子辐照、电子辐照、离子辐照等。Smith、谌继明、周康宁等［1-8］在这方面进行了大量研究。在力学性能方面，Aglan等［9］对钒合金的疲劳破坏行为进行了研究，Rowcliffe［10］研究了应变率对V-4Cr-4Ti拉伸性能的影响，对于钒及钒合金的动态力学性能则研究报道较少，谢若泽等［11-12］进行了V-5Cr-5Ti常温动态压缩力学性能试验研究，并研究了电弧熔炼V-5Cr-5Ti的高温力学性能。

在产品全寿命周期中，结构和材料将不可避免地经受动态加载的考验，研究钒及钒合金的动态力学性能及变形模式，对产品设计以及产品安全有效具有很大意义。本文以纯钒为研究对象，采用霍普金森压杆（SHPB）研究了材料在常温下的动态压缩力学性能，分别进行了应变率效应实验和应变累积实验，给出了纯钒的动态压缩应力应变曲线，研究了应变历史对材料性能的影响，并与电弧熔炼钒合金进行了比较，结果可供产品设计参考。

1　实　验

1.1实验设备

本实验在霍普金森压杆上进行。实验选用的波导杆均为18Ni-350马氏体时效钢杆，输入杆长1 260 mm、直径25 mm，输出杆长1 260 mm、直径25 mm。加载设备为空气炮，子弹长300mm、直径为25mm，材料与波导杆相同。

1.2应变冻结法

在实验中，部分试件的变形将采用应变冻结法加以限制，以获得指定的应变值。所谓应变冻结法，即用一个高度小于试件原始长度的钢制套环（限位环），套在试件的外面，冲击加载使试件产生变形，当试件长度与套环高度相同时，大部分加载由套环承受，试件不再产生大的变形，从而限制试件的变形，即应变冻结，如图1所示。限位环材料通常选用强度较高的金属。

图1　应变冻结法示意图

1.3数据采集和处理

子弹的撞击速度由激光测速系统测定。在输入杆、输出杆的中间位置各对称粘贴两片应变片，其敏感栅丝方向与杆的轴线方向一致，实验应变信号由各应变片分别接受，通过动态应变仪进行信号放大后由示波器记录。应变仪为扬州科动生产的KD6009型应变放大器，其频带宽为10 Hz～1 000 kHz；采用TDS540D数字存储示波器记录波形，其频带宽为DC～500MHz，系统频响可以满足SHPB的测试要求。

应变片电阻为120Ω，灵敏系数为2.17；应变放大器的增益为100倍，桥压为4V，根据应变放大器提供的系数计算方法可得系统的标定值为1 V对应4600με。

1.4实验设计

根据霍普金森压杆的具体情况，将试件设计为直径10mm，长5mm的圆柱形试件。根据试件尺寸，设计了多种高度的限位环，其外径为22mm，内径为13mm，高度分别为3.6，3.8，4.2，4.6mm等。

设计了两种类型的实验。首先，利用7～30m/s的不同弹速，测试了材料在不同应变率范围内的动态压缩力学性能；然后采用应变冻结法对试件进行多次压缩加载，研究材料的应变累积效应。

2　实验结果与讨论

2.1试件变形情况

图2为实验前后试件的对比情况。从图中可以看出，实验前试件为圆柱形，实验后，试件除在长度方向被压缩外，在直径方向出现了不同程度的扩展，试件表现出明显的变形不均匀性，体现了试件材料的各向异性，其原因需进一步采用细观方法从材料细观组织结构角度进行研究。

图2　实验前后试件对比图

2.2应变率效应

利用7～30 m/s的不同弹速，测试了材料在不同应变率范围内的动态压缩力学性能。根据一维应力波理论，对实验所得的入射波、透射波和反射波进行处理，得到试件的工程应力和工程应变，再利用式（1）和式（2）计算得到试件的真实应力σ和真实应变ε，从而获得材料的应力～应变～应变率关系：

式中：εs——工程应变，以压为正；

ε——真应变，以压为正；

σs——工程应力；

σ——真应力。

实验得到了纯钒在102～103s-1应变率范围的动态压缩应力-应变关系。表1给出了各实验的相关参数和实验结果，其中流变应力是指试件发生5%真应变时所对应的真实应力。

各个应变率下的动态压缩应力-应变曲线如图3所示。由图3和表1可见，纯钒具有明显的应变率效应，在应变率为810s-1时，材料的流变应力为437MPa；在应变率为1720s-1时，材料的流变应力为465MPa；在应变率为4430s-1时，材料的流变应力为564MPa，比应变率810s-1时提高了29%。

表1　应变率效应各实验相关参数和结果

图3　纯钒的动态压缩应力-应变曲线

2.3应变累积实验

为了解应变历史对材料性能的影响，进行了应变累积实验，即针对同一试件，进行多次压缩加载，以考察应变历史对材料力学性能的影响。采用应变冻结法控制应变，加载速度先低后高或者先高后低，从而形成不同的应变加载历史。表2为各试件的实验参数和结果。

表2　应变累积实验相关参数和结果1）

20号试件首先在0.10 MPa气压、4.60 mm限位环的情况下进行第1次加载，然后在0.25MPa气压、3.80mm限位环的情况下进行第2次加载，最后在0.50MPa气压、无限位环的情况下进行第3次加载。21号试件首先在0.50 MPa气压、4.20 mm限位环的情况下进行第1次加载，然后在0.25MPa气压、3.60 mm限位环的情况下进行第2次加载，第3次加载则在0.10 MPa气压、无限位环的情况下进行，最后在0.40MPa气压、无限位环的情况下进行第4次加载。

图4为20号试件多次加载的应力-应变曲线图，其中应变率为3220s-1的曲线为8号试件单次加载所得到的应力应变关系。可以看到，在多次加载实验中，随着应变率的提高，应力应变曲线逐步升高，流动应力逐步变大，但3次加载的曲线均未超过应变率为3220s-1的曲线，基本沿着该曲线发展而未大幅超出，多次加载的应变累积对材料性能的影响并不强烈。

图4　20号试件多次加载应力-应变曲线

图5为21号试件多次加载的应力-应变曲线图，其中第3次加载所采集的数据不理想，图中没有给出。图中应变率为3220s-1的曲线为8号试件单次加载所得到的应力应变关系，应变率为2180s-1的曲线为4号试件单次加载所得到的应力应变关系。图中第2次加载应变率为1970s-1，曲线却高于应变率为2180s-1的单次加载，可见加载历史对材料依然产生了影响，但其变化并不剧烈，几次加载所获得的曲线基本沿着3220s-1单次加载的曲线发展。

图5　21号试件多次加载应力-应变曲线

3　与电弧熔炼钒合金的比较

谢若泽等［11］前期已对电弧熔炼钒合金V-5Cr-5Ti的常温动态力学性能进行了研究，这里对两种材料的动态力学性能作一简单比较。

首先比较两种材料的变形情况。两次实验设计的原始试件形状和尺寸完全相同，实验后两种材料的试件形貌如图6所示。从图中可以看出，电弧熔炼钒合金在径向产生的扩展比较均匀，而纯钒在直径方向出现了不同程度的扩展，试件截面不再是一个圆形，表现出明显的变形不均匀性，体现了试件材料的各向异性。

图6　电弧熔炼钒合金和纯钒实验后的变形情况

再来比较两种材料的强度和应变率效应。图7为两种材料的流变应力-应变率关系曲线，图8为两种材料在应变率为3×103量级时的应力-应变关系。从图中可以看到，电弧熔炼钒合金的强度远高于纯钒，相同应变率下电弧熔炼钒合金的流变应力比纯钒约提高50%。另一方面，随着应变率的增大，电弧熔炼钒合金的流变应力比纯钒提高得更快，也即电弧熔炼钒合金的应变率效应更强。

图7　电弧熔炼钒合金和纯钒的流变应力-应变率关系曲线

图8　电弧熔炼钒合金和纯钒的应力-应变关系

图9为电弧熔炼钒合金3次加载与单次加载的应力-应变曲线对比图［11］。图中显示，经过加载以后的钒合金再次加载时，其应力水平有较大的提高，甚至超过了应变率的影响，也即钒合金的应变历史对其应力-应变曲线产生的影响较大。而图4和图5显示，加载历史对纯钒虽然产生了影响，但其变化并不剧烈，多次加载所获得的曲线基本沿着单次加载的曲线发展。可见，两者相较，应变历史对电弧熔炼钒合金的应力-应变曲线产生的影响比对纯钒的影响更大。

图9　电弧熔炼钒合金多次加载与单次加载应力-应变曲线对比

4　结束语

以纯钒为研究对象，采用霍普金森压杆（SHPB）研究了材料在常温下的动态压缩力学性能，分别进行了应变率效应实验和应变累积实验，给出了纯钒的动态压缩应力应变曲线，研究了应变历史对材料性能的影响，并与电弧熔炼钒合金的动态力学性能进行了比较，得到以下结论：

1）纯钒试件实验后除在长度方向被压缩外，在直径方向出现了不同程度的扩展，试件表现出明显的变形不均匀性，体现了试件材料的各向异性。

2）纯钒具有明显的应变率效应。在应变率为810s-1时，材料的流变应力为437 MPa；在应变率为4 430 s-1时，材料的流变应力为564 MPa，比应变率810s-1时提高了29%。

3）加载历史对纯钒虽然产生了影响，但其变化并不剧烈，多次加载所获得的曲线基本沿着单次加载的曲线发展。

4）纯钒表现出各向异性，而电弧熔炼钒合金为各向同性；电弧熔炼钒合金的强度远高于纯钒，相同应变率下电弧熔炼钒合金的流变应力比纯钒约提高50%；电弧熔炼钒合金的应变率效应更强；应变历史对电弧熔炼钒合金的应力-应变曲线产生的影响比对纯钒的影响更大。

［1］SMITH D L，CHUNG H M，LOOMIS B A，et al. Reference vanadium alloy V-4Cr-4Ti for fusion application［J］.Journal of Nuclear Materials，1996（233-237）：356-363.

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［11］谢若泽，胡文军，陈成军，等.V-5Cr-5Ti常温动态压缩力学性能试验研究［J］.爆炸与冲击，2010，30（6）：641-646.

［12］XIE R Z，HU W J，HE P，et al.Experimental study on dynamic compressive mechanical properties of v-5cr-5ti at high temperature［C］∥ICEM15，Experimental Mechanics：NewTrendsandPerspectivesPorto/Portugal，2012：627-628.

（编辑：徐柳）

Experimental study on dynamic compressive mechanical properties of pure vanadium

XIE Ruoze，HU Wenjun，HUANG Xicheng，ZHANG Fangju
（Institute of Systems Engineering，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，China）

Strain rate effect tests and cumulated strain tests of pure vanadium by means of the Split Hopkinson Pressure Bar（SHPB）were carried out at room temperature.The effects of strain rate and strain cumulating on the dynamic compressive mechanical properties of pure vanadium werestudiedandcomparedwiththatofthevanadiumalloysbyarcmeltingmethod.The experimental results show that the flow stress of pure vanadium is 564MPa when the strain rate is 4 430 s-1，which is 29%higher than 437Mpa when the strain rate is 810 s-1，the dynamic properties of pure vanadium exhibit obvious sensitivity to the strain rates，the strain history affects the dynamicpropertiesofpurevanadium，buttheinfluenceisconstraiend，thestrengthofthe vanadium alloys by arc melting method is higher than the pure vanadium.

pure vanadium；dynamic compression；strain rate；strain history

A

1674-5124（2016）10-0040-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.10.008

2016-04-28；

2016-06-01

国家自然科学基金（11272300，11472257）

谢若泽（1970-），男，湖北利川市人，研究员，研究领域为冲击动力学。