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材料工程/2011年12期纯钛高应变率拉伸力学行为的实验研究ExperimentalStudyonTensionBehaviorofPureTitaniumatHighStrainRates张银喜。,张军。,黄文。,汪洋。,夏源明2(1中国科学技术大学近代力学系,合肥230027;2中国科学技术大学中科院材料力学行为和设计重点实验室,合肥230027;3深圳大学土3:I程学院,广东深圳518060)—ZHANGYinxi~,ZHANGJun~,HUANGWen。,—’WANGYang~.XIAYuanming(1DepartmentofModernMechanics,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230027,China;2KeyLaboratoryofMechanicalBehaviorandDesignofMaterials,UniversityofScienceandTechnologyofChina,ChineseAcademyofSciences,Hefei230027,China;3CollegeofCivilEngineering,ShenzhenUniversity,Shenzhen518060,Guangdong,China)摘要:利用MTSS09材料试验机和旋转盘式间接杆杆型冲击拉伸实验装置,对多晶纯钛进行了室温环境下应变率为0.001,0.01S-1的准静态和300,1400s的动态拉伸实验,获得了纯钛等温和绝热拉伸应力应变曲线;实施了应变率为300s的冲击拉伸复元实验,获得了纯钛在高应变率下的等温应力一应变曲线。结果表明:纯钛的拉伸力学行为具有明显的应变硬化效应、应变率强化效应和绝热温升软化效应。采用修正的KHL模型较好地表征了纯钛在准静态和动态实验应变率范围内的拉伸力学行为。关键词:纯钛;高应变率拉伸;本构模型中图分类号:O347.3文献标识码:A文章编号:1O01-4381(2011)12000604——Abstract:QuasistaticanddynamictensiontestsforpuretitaniumwereperformedusingMTSS09tes—tingsystemandrotatingdiskbarbartensileimpactapparatus,respectively.Theisothermaltension——stressstraincurvesat0.O01Sand0.01Sandadiabatictensionstressstraincurvesat300sand1400s_。wereobtained.ThedynamictensilerecoverytestwascarriedOUtattherateof300sandthe——isotherma1stressstraincurveatthehighstrainratewasobtained.Theresultsindicatethatthereex———iststhestrainhardening,strainratestrengtheningandadiabatictemper.aturerisesofteningphenomenoninthetesionbehaviorofpuretitanium.AmodifiedKHLmodelcarldescribeandcharacterizethetensilebehavioroftitaniumatdifferentstrainratesincludinghighstrainrates.Thesimulatedresultsagreewellwiththeexperimentaldata.—Keywords:puretitanium;highstrainratetension;constitutivemodel钛及钛合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好等优点,因此其作为结构材料被广泛应用于航空、航天、汽车等军事和民用领域。这些材料及其结构在加工和使用过程中可能承受高速切削、高速撞击和爆炸等冲击加载作用,因此准确了解材料在高应变率加载下的力学行为对材料设计和工程应用具有重要的意义。关于钛及钛合金力学性能的应变率相关性研究主要集中在压缩加载方面,分离式霍普金森压杆是测试材料在高应变率加载下压缩力学行为的一种有效的实—验方法[。ChichiliE等,NematNasser[等,Li[6]等,常亚酷L7等,Guraol8等和孙智等分别对多晶纯钛实施了不同环境温度下的冲击压缩实验和冲击剪切实验,结果表明:纯钛的压缩力学性能具有温度和应变率相关性,随着应变率的升高和温度的降低,其屈服应力增加,屈服后的应变硬化效应增强;纯钛在高应变率下存在动态应变时效现象;纯钛的塑性变形机制包含位错滑移和孪生变形;绝热剪切带的形成和发展是材纯钛高应变率拉伸力学行为的实验研究7料损伤和破坏的主要机制。对弹塑性材料而言,其在高应变率下的绝热变形过程是一个热力耦合的过程。—NematNasserl1等首次实现了冲击压缩复元实验技术,并利用该技术获得了纯钛在高应变率下的等温压缩应力一应变曲线,从而对纯钛在高应变率下的热力耦合行为实现了实验解耦[5]。本工作拟对多晶纯钛在室温环境下拉伸力学行为的应变率相关性进行实验研究,采用冲击拉伸实验技术和冲击拉伸复元实验技术来获得纯钛在高应变率下的绝热和等温拉伸应力一应变曲线,实现动态拉伸加载下应变硬化效应和绝热温升软化效应的实验解耦,在此基础上采用宏观唯象本构模型来表征纯钛的应变率相关的拉伸塑性变形行为。1实验材料和测试方法试件所用材料为西北有色金属研究所提供的轧制≤多晶纯钛板,其化学成分(质量分数/,下同)为Fe≤≤≤≤0.12,CO.04,N0.02,HO.007,O0.07,余量为Ti。在加工成试样之前将原材料在977K下真空退火2h,然后在真空环境中冷却至室温。准静态拉伸实验在MTS809材料试验机上进行,应变率为0.001S和0.01S。动态拉伸实验在旋转盘式间接杆杆型试验机上进行,应变率为300s和1400s~。实验环境温度为室温。高应变率拉伸实验所使用的旋转盘式间接杆杆型冲击拉伸试验装置由旋转盘加载系统、入射杆、透射杆和应变信号测量和采集系统组成。图1所示为实验装—置的示意图及一维实验原理的LagrangeXt图。通过锤头高速打击撞块,使前置金属短杆发生弹塑性变形直至断裂,从而在入射杆中产生拉应力方波脉冲。前置金属短杆的作用既相当于脉冲发生器,又相当于机械滤波器,使得产生的拉伸脉冲光滑、平稳;通过选用不同直径和长度的前置金属短杆和不同的打击速率,则拉伸入射脉冲的幅值、持续的时间和入射脉冲上升段的时间可控,从而可实施不同应变率的冲击拉伸实验l_】。入射杆和透射杆中的入射波、反射波和透射波应变信号分别由杆上的应变片测量,依据一维应力波理论和试件中应力、应变均匀假定,对于具有相同横截面尺寸且由同种材料制成的入射杆和透射杆而言,试件中的平均应力、应变和应变率可经由杆上应变片所测量到的入射应变信号e.()和透射应变信号£(£)获得。而式(1)和式(2)则是由实测的入射波形和透射波形经数据处理后获得的试件中工程应力。、工程应变e和工程应变率。的测试原理式。¨II¨ll亡~\!,一一—,/l/—至,一—U—一图1高应变率拉伸实验装置示意图Fig.1Highstrainratetensiontestingsystem一ef((1)e。()一l[£(r)一e(r)]dr(2)(£)一[£(£)一£()](3)式中:E,A和C。分别是杆的弹性模量、横截面积和弹性纵波波速;A和分别是试件实验段的横截面积和实验段的长度。高应变率拉伸加载过程是一个绝热过程,对弹塑性材料而言,不可逆塑性功将导致试件产生绝热温升,该绝热温升将对试件材料的塑性变形行为产生影响,通过实施高应变率复元实验,可实现高应变率下材料应变硬化效应和绝热温升软化效应的实验解耦]。通过产生短拉伸加载脉冲,并在入射杆和透射杆系统上加装吸波装置以抑制二次加载波对试件的作用(防止试件的二次塑性变形),对试件进行了高应变率的拉伸加卸载实验。通过对同一试件进行反复多次加卸载,从而实现高应变率下的冲击拉伸复元实验。拉伸实验所使用的试件形状为哑铃形扁平状,厚度1.2mm,尺寸如图2所示。图2试件形状及尺寸Fig.2Specimenshapeanddimension2结果和分析图3为多晶纯钛在应变率0.001,0.01s下的等温应力一应变曲线和应变率300,1400s下的绝热应8材料工程/2011年12期力一应变曲线。从图3可知,多晶钛的拉伸力学行为呈现明显弹塑性变形特征,且其屈服强度、极限强度和应变硬化率具有显著的应变率相关性,动态屈服强度和应变硬化率较准静态有明显增大。O图3纯钛在不同应变率下的应力一应变曲线Fig.3Stressstraincurvesoftitaniumatdifferentstrainrates图4为高应变率加载下等温应力一应变曲线与绝热应力一应变曲线的比较。虚线为对同一试件实施反复加卸载所获得的材料在不同应变区间的应力一应变实验结果,由于材料在弹性变形阶段,外界所做的功都转化成了可恢复的弹性变形能,不会在试件中产生绝热温升,依次连接各应变区间应力一应变曲线的屈服点得到的包络线就可认为是动态加载条件下的等温应力一应变曲线。由图4可见,纯钛等温应力一应变曲线塑性应变硬化段的应力水平较绝热应力一应变曲线相应段的应力水平高,其绝热应力一应变曲线中包含了绝热温升导致的材料软化效应。图4纯钛在300s下的等温与绝热应力一应变曲线的比较Fig.4Comparisonofisothermalwithadiabaticresultsoftitaniumat300S13拉伸力学行为的表征KhanE等提出了一种能够描述钛合金在压缩加载下不同应变率和温度下力学行为的宏观本构模型—(KhanHuangLiang模型,KHL)。由于KHL模型计及了应变率对初始屈服和应变硬化的不同影响,因—此该模型较JohnsonCook模型可以更好地表征材料在压缩加载下的塑性变形行为。根据纯钛在拉伸加载下所表现出的明显的应变率强化效应和绝热温升软化效应,本工作提出一个修正的KHL模型来表征纯钛计及应变率效应的拉伸力学行为。修正的KHL模型为一『A+B(1一)(ep](Hn)eT(4)式中:,£。和分别是流动应力(真应力)、塑性应变(真应变)和应变率;是参考应变率;A为屈服应力;B和。为应变硬化系数;DE为应变率上限;为表征应变率对应变硬化影响的因子;C为应变率强化系数;△为温度软化系数;T为绝热温升,可表示为:AT一告Iode(5)pL/vJ0式中:p是材料密度;C是定容比热;是热功转化系数。对于大多数金属材料该系数值可取为0.9。参考应变率取为0.001s,应变率上限DS取为10S_】。纯钛的密度为p一4500kg/m。,定容比热‘C一544J・(kg・lC)_。。由不同应变率下的屈服应力值,可确定模型参数A和C的初始值;依据准静态和高应变率下的等温应力一应变曲线,可确定参数B,。和的初始值;根据高应变率300s下的绝热和等温应力一应变曲线的比较,确定参数。对4个应变率下的全部真应力一真应变曲线的塑性变形段进行非线性拟合,得到的最—终模型参数值:40.297GPa,B一0.468,。一一—℃0.346,10.452,C一0.390和一0.O01~。图5为模型拟合结果与实验结果的比较,由图5可知,拟0箜堇图5高应!蔓率拉伸模型结果与实验数据比较Fig.5Correlationofthemodelresultswiththeexperimentaldataintitanium纯钛高应变率拉伸力学行为的实验研究合结果与实验结果吻合较好,表明该模型(式(4))可以较好地表征纯钛在实验应变率范围内的拉伸力学行为。4结论(1)纯钛拉伸力学行为在本工作实施的应变率范围内具有明显的应变硬化效应、应变率强化效应和绝热温升软化效应。(2)高应变率实验过程可以近似为一个绝热过程,通过冲击拉伸复元实验获得了纯钛的高应变率等温应力一应变曲线,实现了应变硬化效应与绝热温升软化效应的实验解耦。(3)采用修正的KHL模型对纯钛的应力一应变曲线进行数值拟合,结果表明,该模型可以较好表征纯钛在准静态和动态实验应变率范围内的拉伸力学行为。[1][2][3]E43E5]参考文献王礼立.应力波基础[M].北京:国防工业出版社,2005.——GRAYGT.Mechanicaltestingandevaluation:classicsplitHop—kinsonpressurebartesting.metalshandbook[M].Ohio:Ameri—canSocietyforMetals,2000.462476.RODNEYJC.Responseofmaterialsunderdynamicloading[J].InternationalJournalofSolidsandStructures,2000,37(1):1O5113.——CHICHIIIDR,RAMESHKT,KEMKERKJ.Thehighstrain——rateresponseofalphatitanium:experimentsdeformationmecha—nismsandmodeling[J].ActaMaterialia,1998,46(3):10251043.——NEMATNASSERS,GUOWG,CHENGJY.Mechanicalprop—ertiesanddeformationmechanismsofacommerciallypuretitani—um[J].ActaMaterialia,1999,47(13):37053720.[6]LIQ,XUYB,BASSIMMN.Dynamicmechanicalbehaviorofpuretitanium[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,—2004,155156:18891892.E73常亚晶,刘楚明,詹从望,等.高应变率下纯钛动态压缩力学性能—各向异性[J].湖南有色金属,2008,24(4):3336.[8]GURAONP,KAPOORR,SUWASS.Deformationbehaviourof—commerciallypuretitaniumatextremestrainrates[J].ActaMa—terialia,2011,59(9):34313446.[9]孙智,苏铁健,李淑华,等.高应变率下工业纯钛TA2变形与失效—研究_J].兵器材料科学与工程,2007,30(3):4347.—[1o]NEMATNASSERS,ISSACSJB,STARRETTJE.Hopkinsontechniquesfordynamicrecoveryexperiments[J].ProcRSoc—London,1991,A2O:371391.111]XIAYM,WANGY.Dynamictestingofmaterialswiththerotatingdiskindirectbar-bartensileimpactapparatus『J].Journalof—TestingandEvaluation,2007,35(1):3135.—L12]KHANAS,SUHYS,KAZMIR.Quasistaticanddynamicloadingresponsesandconstitutivemodelingoftitaniumalloys—[J].InternationalJournalofPlasticity,2004,20(12):22332248——收稿日期:201卜O519;修订日期:20110927作者简介:张银喜(1985一),男,硕士研究生,主要从事材料动态力学行—为研究,联系地址:中国科学技术大学近代力学系(230027),Email:zhyxz@mail.ustc.edu.cn通讯作者:汪洋(1968一),男,理学博士,教授,主要从事极端条件下的材料力学行为和冲击动力学的研究工作,联系地址:安徽省合肥市中国—科学技术大学近代力学系(230027),Email:yangwang@ustc.edu.cn米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米(上接第5页)[3]GELLM,DUHLDN,GIAMEIAF.Thedevelopmentofsinglecrystalsuperalloyturbineblades[A].Superalloys1980[C].War—rendale,PA:TMS,1980,2052l4.[4]GElIM,DUHIDN,GUPTADK。eta1.Advancedsuperalloyairfoils[J].JofMetals,1987,(7):1115.[5]ERICKSONGI.ThedevelopmentandapplicationofCMSX一10—[A].Superalloys1996[C 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