单脉冲加载技术及其在钛合金拉伸行为研究中的应用

张　军，汪　洋

（1.中国工程物理研究院总体工程研究所，四川 绵阳 621999；2.中国科学技术大学近代力学系，安徽 合肥 230027）

单脉冲加载技术及其在钛合金拉伸行为研究中的应用

张军1，汪洋2

（1.中国工程物理研究院总体工程研究所，四川 绵阳 621999；2.中国科学技术大学近代力学系，安徽 合肥 230027）

为精确评价钛合金热率相关的力学行为，利用冲击拉伸试验系统和基于单应力脉冲加载的冲击拉伸复元试验技术分别获得TC11钛合金在高应变率（102～103s-1）范围内的绝热应力-应变曲线和等温应力-应变曲线，实现拉伸响应的热力解耦；利用冲击拉伸加卸载试验技术实施变温度和变应变率测试，研究历史效应对于本构行为的影响。结果表明：TC11的初始屈服行为呈现温度软化和应变率强化特性，而等温塑性应变硬化行为表现出温度和应变率不敏感特征，瞬态绝热温升是导致材料动态应变硬化率降低的主要原因；高应变率加载时材料内的热功转换系数约为0.9，且其拉伸力学行为无明显的温度和应变率历史效应。实验结果为建立钛合金的本构模型奠定试验基础。

钛合金；应变率；绝热温升；历史效应

0　引　言

α+β型钛合金以其高比强度、优异的中低温性能、高损伤容限等优点，广泛应用于导弹、航空、舰船等军事和民用领域［1-2］。由于上述结构和部件服役中不可避免承受高应变率等极端条件，且相比于准静态，动态加载时间短，塑性功产生的热量来不及耗散，会引起试件的温度不断上升。因此，高应变率下钛合金的力学响应是应变硬化、应变率强化和温升软化效应相互耦合的结果［3-4］。此外，实际冲击工程中结构和部件可能在发生首次塑性变形和损伤累计后，遭遇二次甚至多次变温度、变应变率再加载，即材料在较大跨度内经历了温度和应变率的不断变化，该问题涉及材料的温度历史和应变率历史效应［5］。因此，有必要深刻理解高应变率加载下热力耦合效应、温度和应变率历史效应对材料力学行为的影响。

霍普金森测试系统以其结构简单、操作方便，被认为是获得在高应变率加载条件下材料力学性能的一种有效手段。Nemat-Nasser等于1991年在霍普金森压杆上首次成功实现了单应力脉冲加载技术，该技术经不断改进，进而实现了高应变率压缩下的复元实验、高应变率压缩下的变温度实验和变应变率实验［6-8］。Guo等［9］利用该技术在霍普金森压杆上分别实施了冲击复元实验，获得了Ti-6Al-4V高应变率加载时的等温压缩应力-应变曲线，实现了冲击压缩加载时材料力学性能的热力解耦，证实了高应变率下钛合金应变硬化率降低的原因是绝热温升软化；同时，通过变温加载实验，间接地确定了高应变率加载时的热功转换系数的值接近1。该成果为精确研究材料热力耦合下的力学行为奠定了实验基础。

本文拟采用基于单应力脉冲加载技术的霍普金森拉伸测试系统试验研究TC11钛合金动态拉伸力学行为的热力耦合效应；实施变温度和变应变率试验，以揭示历史效应对于拉伸响应结果的影响，相关成果为建立钛合金的本构模型提供试验依据。

1　单应力脉冲SHTB试验技术

应变率102～103s-1内的动态拉伸测试在分离式霍普金森拉杆装置（SHTB）上进行。该系统的试验原理和装置示意图如图1所示。与其他霍普金森拉杆测试装置相比，该装置的特色之处在于拉伸方波脉冲的产生，它基于机械滤波的思想，利用高速旋转盘，实施双片锤头与撞块的撞击，导致前置金属短杆高速弹塑性变形以致断裂，从而在输入杆中产生经滤波的拉伸方波脉冲。此方法所产生的拉伸方波脉冲平稳，高度和宽度可在较广范围内调节，以实现不同应变率、较大变形条件下的冲击拉伸试验。

图1　旋转盘式间接杆杆型冲击拉伸试验装置示意图及测试原理图

从图1所示的Lagrange X-T图来看，入射波在入射杆右端（试件左端面）处形成的反射波沿入射杆左行至杆左端后将成为拉伸波（二次加载波）继续沿杆右行，对试件形成二次拉伸加载，透射波经透射杆尾端反射也可能会对试件造成二次加载。

实现高应变率拉伸加卸载试验的关键在于如何有效抑制上述入射杆和透射杆中的二次加载波以避免对试件二次加载造成试件发生新的塑性变形。借鉴Nemat-Nasser在霍普金森压杆上实现单应力脉冲技术的思想和方法，在入射杆前端增加限位块，以保证在第一道拉伸波经过之后，限位块与入射杆刚好接触，在试件左端反射的压缩波传递到入射杆加载端时正好被限位机构所吸收。在透射杆尾端，通过套筒连接吸收杆，套筒内填充阻尼橡胶，同时试验过程中尽可能保证透射杆、连接套筒和吸收杆三者的共轴度，以保证透射波在套筒处的可靠传递和吸收。图2给出了高应变率拉伸加卸载试验装置的示意图。

图2　高应变率拉伸加卸载试验装置示意图

图3是TC11钛合金使用滤波装置前后入射杆和透射杆上应变片所获得的典型应变信号。由图可见，加入入射杆限位块和吸收杆后，二次加载波的幅值不到一次加载波的1/3，二次加载波得到了很好的抑制，在后续加载中试件没有达到初始屈服点，试件中的变形属于弹性变形，可以忽略其对试件材料结构变化的影响。改进后拉伸试验系统也为研究高应变率加载下材料温度历史、应变率历史效应以及高应变率下材料热力耦合效应奠定了实验基础。

图3　高应变率拉伸试验信号

2　TC11钛合金的动态力学响应

2.1材料

试验所用的材料TC11棒材购自中国宝钛集团，其化学成分为（wt.%）6.6Al，3.3Mo，1.8Zr，0.29Si，0.07Fe，0.01C，0.01N，0.004H，0.13O以及Ti。试验前，进行双重热处理（先实施955℃2h固溶+空冷，再进行530℃ 6h时效+空冷），一方面消除组织非均匀性，另一方面获得综合性能更加优异的双态组织。

2.2试样

不同应变率的拉伸试样形状类似，为平板哑铃状。

其中动态拉伸试样平行段的长度和圆弧倒角的半径分别为6mm和2mm。准静态拉伸试样的平行段比动态试样更长，为24mm，以减小试样端面效应的影响，从而获得试验段更均匀的应变场。

2.3复元测试结果

所谓复元测试即是对同一个试件加载到一定的塑性变形量，待试件冷却至之前的环境温度，在相同应变率下实施再加载，如此反复的过程。由于高应变率拉伸复元试验包含对同一试件的多次加卸载过程，而两次加载之间的等待相当于对材料短时间的应变时效。

图4　TC11不同应变率时复元试验结果

为了考察应变时效对复元试验结果的影响，图4（a）给出了TC11在室温293 K、准静态0.001 s-1加载时的复元拉伸测试结果。试验过程中利用2个TC11试件进行不同的变形加载，编号1的曲线是1号试件在应变率0.001s-1下加载到一定的塑性变形后卸载，等待20min左右，再在相同应变率下再加载，如此反复过程的应力-应变曲线，20min大约为连续进行两次冲击拉伸加卸载试验所需要的等待时间。编号2的曲线是2号试件在应变率0.001s-1下单调加载的应力-应变曲线。相比直接加载，TC11在卸载-再加载时的应力-应变曲线与相同应变率和相同应变量时连续加载曲线基本重合；在较大塑性变形量卸载时，虽然应力-应变曲线在屈服初期呈现出较小的应力起伏，但随后的流动曲线与连续加载曲线仍基本重合。上述结果表明TC11在加卸载过程中短时的应变时效对其流动应力基本没有影响。

与准静态复元测试结果不同，高应变率500s-1下的复元测试曲线（编号2）和相同应变率下的单调连续加载曲线（编号1）存在明显的差异，相同塑性变形量下，复元测试曲线的流动应力和硬化率与单调连续加载相比要高得多。造成两者的差异主要是由于动态加载时间短，塑性功产生的热量储存在试件中来不及耗散，高应变率下的材料响应是不可逆塑性功生热和温升引起应力-应变行为软化两个过程互动，形成热力耦合的过程。而在冲击拉伸复元试验过程中，每次试验的初始环境温度相同。通过连接每次高应变率拉伸加卸载时应力-应变曲线的初始屈服点，所组成的包络线可认为是该工况下的等温应力-应变曲线（如图4（b）中编号3的曲线）。

本文对TC11还实施了应变率190s-1、不同环境温度（253，293，423K）下的拉伸复元试验，并获得了等温塑性硬化模量随温度和应变率的变化关系，如图5所示。由图可见，不同塑性应变量下的等温塑性硬化率随温度和/或应变率的升高变化不大，TC11在本文所测试的温度和应变率范围内呈现出温度和应变率不敏感现象。

图5　TC11等温塑性硬化模量与温度和应变率的关系

2.4热功转系数的间接确定

对于单轴加载而言，某一应变量下材料内的温升值可以通过功热转换关系式（1）计算：

式中：Wp——单位体积内的塑性耗散功，即流动应

力-塑性应变曲线下的积分面积；

ρ、Cp——材料的密度和定压比热容；

γ——热功转换系数。

本节介绍一种基于变温度试验方法来确定高应变率拉伸加载下TC11热功转换系数的间接方法，类似的方法Guo和Nemat-Nasser在确定Ti-6Al-4V高应变率压缩加载下的热功转换系数时有过介绍［9-10］。该方法的基本思想是：选取两个相同的材料试样，其中一个试样（编号1）在初始环境温度T0、应变率ε˙1时连续加载，而另一个试样（编号2）在相同环境温度和应变率下被加载到某个塑性应变量εp后卸载；任取一个较为合理的热功转换系数值，如η，通过式（1）计算材料内的绝热温升ΔT；此时将2号试样在相同的应变率ε˙1、环境温度为T0+ΔT，即变温度下再加载。为描述方便，将上述一次连续加载、加卸载以及变温后再加载时所获得的真应力-真应变曲线分别记为曲线1、2和3。一般而言，曲线2和曲线1在加载部分可以完全重合，倘若曲线3在塑性加载部分与曲线1也重合，则说明热功转换系数取值为η是合理的，否则重新取值进行上述试验与分析。

本文利用上述思想和方法间接确定了TC11在室温293K、应变率500s-1的热功转换系数，试验过程如图6所示。其中卸载时塑性变形量为5.5%，热功转换系数取值0.9，即温升为26K。从图中可以看出，TC11在应变率500s-1、环境温度293K加卸载，在500s-1、319K变温度再加载时，其应力-应变曲线与应变率500s-1、环境温度293K连续加载时的应力-应变曲线基本重合。这个值与Macdougall等［11］利用高速红外所测得的取值较为接近，说明对于TC11而言，高应变率拉伸加载时热功转换系数为0.9是合理的。上述结果亦表明绝热温升是影响高应变率加载下材料动态力学响应的重要因素。

图6　TC11的变温试验结果

2.5历史效应对拉伸行为的影响

为了考察温度历史和应变率历史对TC11流动应力的影响，本文利用拉伸加卸载试验技术实施了TC11变温度和变应变率测试。所谓变应变率（或温度）测试即是对同一个TC11试件在塑性变形过程中先后经历不同的应变率（或温度）加载。

图7～图9分别给出了TC11在不同应变率或温度范围内的变应变率和变温测试结果。在图7中，曲线3是TC11试件在拉伸过程中先后经历应变率0.001s-1、塑性累计量2%，以及0.01s-1、塑性累计2.8%，再在0.001 s-1加载至断裂时的应力应变响应结果。为了对比的方便，图中还包括了TC11在室温应变率分别为0.001 s-1和0.01 s-1单调连续加载时的真应力-真应变曲线。从图中可以看出，TC11在加载-卸载-变应变率再加载时的应力-应变曲线与各应变率下连续加载时的应力-应变曲线基本重合。

图7　室温时0.001～0.010s-1范围内的变应变率测试结果

图8　室温时0.001～500s-1范围内的变应变率测试结果

图9　TC11在190s-1，温度293～573K范围内的变温度测试

同时，室温下0.001～500s-1范围内TC11变应变率测试结果与准静态下的结果基本类似。但由于高应变率加载时材料响应是一个绝热过程，虽然在500s-1再加载时的流动应力在塑性流动阶段明显高于500 s-1的连续加载曲线，但是其初始屈服强度与等温加载曲线基本重合。以上结果说明，应变率历史对TC11塑性变形过程中的流动应力基本没有影响。类似地，在应变率190s-1、环境温度293～573K范围内的变温度测试中，TC11在经历573K加载、卸载冷却至293K再加载时，其初始屈服强度与293K、相同应变率时的等温加载曲线基本重合，在测试的范围内TC11的流动应力对温度历史的依赖也并不明显。

3　结束语

本文采用基于单脉冲加载技术的霍普金森拉伸测试系统试验研究了TC11钛合金动态拉伸力学行为的热力耦合效应、温度和应变率历史效应对于拉伸响应结果的影响。结果表明：等温塑性硬化行为在测试的温度和应变率范围内呈现出温度和应变率不敏感特征，高应变率加载下的瞬态绝热温升是引起材料应变硬化率明显降低的主要原因。高应变率加载时TC11的热功转换系数约为0.9，在本文测试温度213～573 K和应变率0.001～500s-1范围内其拉伸力学行为无明显的温度和应变率历史效应。

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［10］汪洋.基于Hopkinson杆的材料动力学试验技术 ［C］∥中国科协第235次青年科学家论坛——极端复杂测试环境下实验力学的挑战与应对，2011.

［11］MACDOUGALL D A S，HARDING J.A constitutive relation and failure criterion for Ti6Al4V alloy at impact rates of strain［J］.Journal of the Mechanics and Physics of Solids，1999，47（5）：1157-1185.

（编辑：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

国家自然科学基金项目（11172288）

张军（1988-），男，重庆市人，助理研究员，博士，主要从事钛合金动态力学行为研究。