多晶純鈦的沖擊力學(xué)行為

多晶純鈦的沖擊力學(xué)行為

鈦和鈦合金密度低，強(qiáng)度高，耐腐蝕性好。因此，作為一種結(jié)構(gòu)材料，它被廣泛應(yīng)用于航空、航空航天、汽車(chē)等軍事和民用領(lǐng)域。這些材料及其結(jié)構(gòu)在加工和使用過(guò)程中可能承受高速切削、高速撞擊和爆炸等沖擊加載作用,因此準(zhǔn)確了解材料在高應(yīng)變率加載下的力學(xué)行為對(duì)材料設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用具有重要的意義。關(guān)于鈦及鈦合金力學(xué)性能的應(yīng)變率相關(guān)性研究主要集中在壓縮加載方面,分離式霍普金森壓桿是測(cè)試材料在高應(yīng)變率加載下壓縮力學(xué)行為的一種有效的實(shí)驗(yàn)方法。Chichili等,Nemat-Nasser等,Li等,常亞喆等,Gurao等和孫智等分別對(duì)多晶純鈦實(shí)施了不同環(huán)境溫度下的沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)和沖擊剪切實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明:純鈦的壓縮力學(xué)性能具有溫度和應(yīng)變率相關(guān)性,隨著應(yīng)變率的升高和溫度的降低,其屈服應(yīng)力增加,屈服后的應(yīng)變硬化效應(yīng)增強(qiáng);純鈦在高應(yīng)變率下存在動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象;純鈦的塑性變形機(jī)制包含位錯(cuò)滑移和孿生變形;絕熱剪切帶的形成和發(fā)展是材料損傷和破壞的主要機(jī)制。對(duì)彈塑性材料而言,其在高應(yīng)變率下的絕熱變形過(guò)程是一個(gè)熱力耦合的過(guò)程。Nemat-Nasser等首次實(shí)現(xiàn)了沖擊壓縮復(fù)元實(shí)驗(yàn)技術(shù),并利用該技術(shù)獲得了純鈦在高應(yīng)變率下的等溫壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線,從而對(duì)純鈦在高應(yīng)變率下的熱力耦合行為實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)解耦。本工作擬對(duì)多晶純鈦在室溫環(huán)境下拉伸力學(xué)行為的應(yīng)變率相關(guān)性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,采用沖擊拉伸實(shí)驗(yàn)技術(shù)和沖擊拉伸復(fù)元實(shí)驗(yàn)技術(shù)來(lái)獲得純鈦在高應(yīng)變率下的絕熱和等溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)拉伸加載下應(yīng)變硬化效應(yīng)和絕熱溫升軟化效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)解耦,在此基礎(chǔ)上采用宏觀唯象本構(gòu)模型來(lái)表征純鈦的應(yīng)變率相關(guān)的拉伸塑性變形行為。1實(shí)驗(yàn)裝置及原理試件所用材料為西北有色金屬研究所提供的軋制多晶純鈦板,其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%,下同)為Fe≤0.12,C≤0.04,N≤0.02,H≤0.007,O≤0.07,余量為T(mén)i。在加工成試樣之前將原材料在977K下真空退火2h,然后在真空環(huán)境中冷卻至室溫。準(zhǔn)靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)在MTS809材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,應(yīng)變率為0.001s-1和0.01s-1。動(dòng)態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)在旋轉(zhuǎn)盤(pán)式間接桿桿型試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,應(yīng)變率為300s-1和1400s-1。實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為室溫。高應(yīng)變率拉伸實(shí)驗(yàn)所使用的旋轉(zhuǎn)盤(pán)式間接桿桿型沖擊拉伸試驗(yàn)裝置由旋轉(zhuǎn)盤(pán)加載系統(tǒng)、入射桿、透射桿和應(yīng)變信號(hào)測(cè)量和采集系統(tǒng)組成。圖1所示為實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖及一維實(shí)驗(yàn)原理的LagrangeX-t圖。通過(guò)錘頭高速打擊撞塊,使前置金屬短桿發(fā)生彈塑性變形直至斷裂,從而在入射桿中產(chǎn)生拉應(yīng)力方波脈沖。前置金屬短桿的作用既相當(dāng)于脈沖發(fā)生器,又相當(dāng)于機(jī)械濾波器,使得產(chǎn)生的拉伸脈沖光滑、平穩(wěn);通過(guò)選用不同直徑和長(zhǎng)度的前置金屬短桿和不同的打擊速率,則拉伸入射脈沖的幅值、持續(xù)的時(shí)間和入射脈沖上升段的時(shí)間可控,從而可實(shí)施不同應(yīng)變率的沖擊拉伸實(shí)驗(yàn)。入射桿和透射桿中的入射波、反射波和透射波應(yīng)變信號(hào)分別由桿上的應(yīng)變片測(cè)量,依據(jù)一維應(yīng)力波理論和試件中應(yīng)力、應(yīng)變均勻假定,對(duì)于具有相同橫截面尺寸且由同種材料制成的入射桿和透射桿而言,試件中的平均應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變率可經(jīng)由桿上應(yīng)變片所測(cè)量到的入射應(yīng)變信號(hào)εi(t)和透射應(yīng)變信號(hào)εt(t)獲得。而式(1)和式(2)則是由實(shí)測(cè)的入射波形和透射波形經(jīng)數(shù)據(jù)處理后獲得的試件中工程應(yīng)力σs、工程應(yīng)變?chǔ)舠和工程應(yīng)變率ε˙sε˙s的測(cè)試原理式。式中:E,A和C0分別是桿的彈性模量、橫截面積和彈性縱波波速;As和ls分別是試件實(shí)驗(yàn)段的橫截面積和實(shí)驗(yàn)段的長(zhǎng)度。高應(yīng)變率拉伸加載過(guò)程是一個(gè)絕熱過(guò)程,對(duì)彈塑性材料而言,不可逆塑性功將導(dǎo)致試件產(chǎn)生絕熱溫升,該絕熱溫升將對(duì)試件材料的塑性變形行為產(chǎn)生影響,通過(guò)實(shí)施高應(yīng)變率復(fù)元實(shí)驗(yàn),可實(shí)現(xiàn)高應(yīng)變率下材料應(yīng)變硬化效應(yīng)和絕熱溫升軟化效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)解耦。通過(guò)產(chǎn)生短拉伸加載脈沖,并在入射桿和透射桿系統(tǒng)上加裝吸波裝置以抑制二次加載波對(duì)試件的作用(防止試件的二次塑性變形),對(duì)試件進(jìn)行了高應(yīng)變率的拉伸加卸載實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)同一試件進(jìn)行反復(fù)多次加卸載,從而實(shí)現(xiàn)高應(yīng)變率下的沖擊拉伸復(fù)元實(shí)驗(yàn)。拉伸實(shí)驗(yàn)所使用的試件形狀為啞鈴形扁平狀,厚度1.2mm,尺寸如圖2所示。2應(yīng)變速率應(yīng)變曲線分析圖3為多晶純鈦在應(yīng)變率0.001,0.01s-1下的等溫應(yīng)力-應(yīng)變曲線和應(yīng)變率300,1400s-1下的絕熱應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖3可知,多晶鈦的拉伸力學(xué)行為呈現(xiàn)明顯彈塑性變形特征,且其屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度和應(yīng)變硬化率具有顯著的應(yīng)變率相關(guān)性,動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度和應(yīng)變硬化率較準(zhǔn)靜態(tài)有明顯增大。圖4為高應(yīng)變率加載下等溫應(yīng)力-應(yīng)變曲線與絕熱應(yīng)力-應(yīng)變曲線的比較。虛線為對(duì)同一試件實(shí)施反復(fù)加卸載所獲得的材料在不同應(yīng)變區(qū)間的應(yīng)力-應(yīng)變實(shí)驗(yàn)結(jié)果,由于材料在彈性變形階段,外界所做的功都轉(zhuǎn)化成了可恢復(fù)的彈性變形能,不會(huì)在試件中產(chǎn)生絕熱溫升,依次連接各應(yīng)變區(qū)間應(yīng)力-應(yīng)變曲線的屈服點(diǎn)得到的包絡(luò)線就可認(rèn)為是動(dòng)態(tài)加載條件下的等溫應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖4可見(jiàn),純鈦等溫應(yīng)力-應(yīng)變曲線塑性應(yīng)變硬化段的應(yīng)力水平較絕熱應(yīng)力-應(yīng)變曲線相應(yīng)段的應(yīng)力水平高,其絕熱應(yīng)力-應(yīng)變曲線中包含了絕熱溫升導(dǎo)致的材料軟化效應(yīng)。3純鈦應(yīng)變率的修正模型Khan等提出了一種能夠描述鈦合金在壓縮加載下不同應(yīng)變率和溫度下力學(xué)行為的宏觀本構(gòu)模型(Khan-Huang-Liang模型,KHL)。由于KHL模型計(jì)及了應(yīng)變率對(duì)初始屈服和應(yīng)變硬化的不同影響,因此該模型較Johnson-Cook模型可以更好地表征材料在壓縮加載下的塑性變形行為。根據(jù)純鈦在拉伸加載下所表現(xiàn)出的明顯的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)和絕熱溫升軟化效應(yīng),本工作提出一個(gè)修正的KHL模型來(lái)表征純鈦計(jì)及應(yīng)變率效應(yīng)的拉伸力學(xué)行為。修正的KHL模型為式中:σ,εp和ε˙ε˙分別是流動(dòng)應(yīng)力(真應(yīng)力)、塑性應(yīng)變(真應(yīng)變)和應(yīng)變率;ε˙?ε˙*是參考應(yīng)變率;A為屈服應(yīng)力;B和n0為應(yīng)變硬化系數(shù);Dp00p為應(yīng)變率上限;n1為表征應(yīng)變率對(duì)應(yīng)變硬化影響的因子;C為應(yīng)變率強(qiáng)化系數(shù);λ為溫度軟化系數(shù);ΔT為絕熱溫升,可表示為:式中:ρ是材料密度;Cv是定容比熱;χ是熱功轉(zhuǎn)化系數(shù)。對(duì)于大多數(shù)金屬材料該系數(shù)值可取為0.9。參考應(yīng)變率ε˙?ε˙*取為0.001s-1,應(yīng)變率上限D(zhuǎn)p00p取為106s-1。純鈦的密度為ρ=4500kg/m3,定容比熱Cv=544J·(kg·℃)-1。由不同應(yīng)變率下的屈服應(yīng)力值σ0.2,可確定模型參數(shù)A和C的初始值;依據(jù)準(zhǔn)靜態(tài)和高應(yīng)變率下的等溫應(yīng)力-應(yīng)變曲線,可確定參數(shù)B,n0和n1的初始值;根據(jù)高應(yīng)變率300s-1下的絕熱和等溫應(yīng)力-應(yīng)變曲線的比較,確定參數(shù)λ。對(duì)4個(gè)應(yīng)變率下的全部真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線的塑性變形段進(jìn)行非線性擬合,得到的最終模型參數(shù)值:A=0.297GPa,B=0.468,n0=-0.346,n1=0.452,C=0.390和λ=0.001℃-1。圖5為模型擬合結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較,由圖5可知,擬合結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好,表明該模型(式(4))可以較好地表征純鈦在實(shí)驗(yàn)應(yīng)變率范圍內(nèi)的拉伸力學(xué)行為。4試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果(1)純鈦拉伸力學(xué)行為在本工作實(shí)施的應(yīng)變率范圍內(nèi)具有明顯的應(yīng)變硬化效應(yīng)、應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)和絕熱