TC4 ELI钛合金包申格效应试验研究

于翔宇，张博文

（中国船舶科学研究中心 深海载人装备国家重点实验室，江苏 无锡 214082）

0 引 言

包申格效应是指金属材料经过预先加载产生一定塑性变形后，卸载再反向加载，规定残余应力降低的现象。这种现象在金属材料中普遍存在，在实际工程应用中，包申格效应会使材料的反向屈服强度降低，在承受循环载荷的结构中影响材料的力学性能及使用寿命。包申格效应的机理和规律的研究已成为塑性变形理论研究中较为重要的组成部分，对于材料的发展和使用有重要意义。钛及钛合金因比强度高、耐腐蚀性能好等优点逐渐应用于海洋工程、航天、航空及压力容器等领域[1]，其包申格效应的程度和表征及对结构件服役性能的影响需要进一步研究。

对于金属材料的包申格效应，目前有许多学者进行了模型方面的研究。H ZIEGLER[2]提出了一种随动硬化模型描述弹塑性材料在单向应力应变下的曲线，但这种线性动态硬化模型只能粗略地描述包申格效应。L GENG等[3]提出了非线性工作硬化模型，引入了一个耦合面描述循环加载中的永久软化现象。材料根据晶体排列可以分为单晶体和多晶体，根据晶体结构不同，又可分为面心立方、体心立方和密排六方。K HAN等[4]对钢在不同应变速率下的包申格效应进行了研究，认为在较低的应变速率下，新位错的增值充分导致位错密度变大，继而使位错的活动性增大。N CHAWLA等[5]对Fe-Mo合金进行试验得出的应力应变滞后曲线表明，包申格应力和应变的大小与初始加载方向有较大的关系，施加压-拉载荷测得的应力/应变值是施加拉-压载荷情况的2倍。目前，随着钛合金的大规模应用，相关的工艺参数研究和热锻造工艺研究已经开展[6,7]，其包申格效应的表现和影响尚未进行研究，已有模型和规律能否应用于钛合金成形及结构体建模中尚需系统研究。

以下对TC4 ELI钛合金板料进行了循环加载试验，获得了TC4 ELI材料在多个预应变量水平下的循环加载应力-应变曲线，对其包申格效应进行了定量研究，分析了包申格应变、包申格应力参数和包申格能量参数的变化趋势，为TC4 ELI在工程中的应用提供了参考。

1 材料及试验

TC4 ELI是一种α+β型钛合金，约含有6%的铝和4%的钒，占有50%的钛合金用量。试验所使用的TC4 ELI是退火状态，其主要的力学性能分别为：弹性模量110 GPa，密度4.44 g/mm3，泊松比0.34，屈服强度770 MPa，抗拉强度936 MPa，延伸率14%，断面收缩率30%。

循环加载的试样如图1所示，试样厚度为5 mm，长度均沿轧制方向切割。

图1 循环加载试验试样

循环加载试验在INSTRON 8801试验机上进行，动态载荷幅度为±100 kN。试样标定长度为14 mm，其位移由夹持在其上的引伸计精确测得，如图2所示。加载速度设置为0.15 mm/s。为了防止出现弯曲，应变幅度分别设置为2%、3%和4%。以2%应变幅度为例，试验加载过程先由初始状态单向拉伸至1%应变水平，然后卸载至应力为0，继续反向加载（即压缩）至-1%的应变水平，然后卸载至应力为0，继续正向加载（即拉伸）至1%的应变水平，如此重复4个周期，由试验机配套的软件获取整个过程的应力-应变曲线。

图2 循环加载试验装置

2 试验结果

对3件试样分别进行2%、3%和4%应变幅度的循环加载后，通过引伸计获得的数据经换算后得到真实应力-真实应变曲线如图3所示。

图3 循环加载试验获得应力应变曲线

对于TC4 ELI钛合金，应力增加的幅度随应变循环次数的增加而有所增大，并逐渐达到饱和，且循环加载导致的材料硬化与循环加载应变幅度有关，应变幅度越大，材料硬化程度越小。

描述材料包申格效应大小的常见指标有包申格应变β，是指在一定应力条件下正向和反向2种加载方式下的应力-应变曲线之间的应变差。还有包申格应力参数（Bauchinger strain parameter,BSP）和包申格能量参数（Bauchinger energy parameter,BEP），表达式分别如式（1）和（2）所示。

其中，σf为初始正向流变应力，MPa；σr为反向屈服应力，MPa；σy为初始屈服应力，MPa。

对应变幅度为2%、3%和4%的循环加载试验数据分析后，获得的β、BSP和BEP参数结果如图4所示，其中β的应力条件以850 MPa为计算基准，σy以770 MPa为计算基准。

由图4可以看到，随预应变量的增加，β和BSP均增大，且变化趋势与应变幅度有近似线性关系。BEP则变化不大，维持在4.61～4.81，变化幅度与β和BSP相比较为稳定。反向屈服应力σr随应变幅度的增大而明显降低（图4（a）中负号表示反向），即应变幅度越大，包申格效应越明显。

图4 TC4 ELI循环加载包申格效应表征参数对比

3 结束语

以TC4 ELI钛合金为研究对象进行了应变幅度为2%、3%和4%的循环加载试验，对TC4 ELI的包申格现象进行了试验观察研究。试验结果表明，TC4 ELI钛合金的包申格效应随预应变的增加而增大，反向屈服强度随预应变的增加而显著减小，包申格应变及BSP与预应变量有近似的线性增加关系，而BEP则随预应变量变化不大。