V5Cr5Ti的常溫動態壓縮力學性能*

謝若澤，胡文軍，陳成軍，潘曉霞，何 鵬，張方舉，陳 杰

（1.中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621900；

2.西南科技大學土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621000）

V5Cr5Ti的常溫動態壓縮力學性能*

謝若澤1，胡文軍1，陳成軍1，潘曉霞1，何 鵬1，張方舉1，陳 杰2

（1.中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621900；

2.西南科技大學土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621000）

采用分離式霍普金森壓桿（SHPB）裝置，在常溫下對V-5Cr-5Ti合金分別進行了應變率效應試驗、限制應變試驗和應變累積的動態壓縮試驗；分析了應變率、應變累積對V-5Cr-5Ti合金動態壓縮性能的影響；并對壓縮試驗后的試件進行了金相分析。結果表明，V-5Cr-5Ti合金具有明顯的應變率和應變歷史效應，而應變歷史對材料的動態壓縮性能的影響更明顯。在高應變率下，應變低于0.20時，出現孿晶組織；而應變高于0.20時，孿晶組織急劇減少甚至消失。

固體力學；力學性能；動態壓縮；V-5Cr-5Ti合金；分離式霍普金森壓桿

1 引 言

金屬釩是典型的BCC結構金屬，而釩合金由于具有低的輻照活化性、優良的機械性能、與鋰的強兼容性、高的熱傳導率以及優良的抗輻照性能，因而在核聚變反應堆的壁層設計和殼體設計中具有較強的優勢［1－2］。對釩及釩合金已進行的研究工作多集中于材料制備和環境因素對材料性能的影響，如合金、雜質元素以及熱處理工藝對合金性能的影響，釩合金的氫脆、氦脆性能，釩合金的高溫氧化問題，中子輻照、離子輻照等［1－6］。在力學性能方面，H.A.Aglan等［7］對釩合金的疲勞破壞行為進行了研究，A.F.Rowcliffe等［8］研究了應變率對 V-4Cr-4Ti拉伸性能的影響，S.Nemat-Nasser等［9］、郭偉國［10］研究了商業純釩在77～880K溫度范圍內的靜、動態壓縮力學性能。研究表明：初始微結構對純釩的初始流動影響強烈；低溫、高應變率下，有絕熱剪切帶出現；應變率為10－3s－1時，溫度超過500K時出現動態應變時效現象。目前對釩合金的動態力學性能研究報道較少，而在產品全壽命周期中，結構和材料將不可避免地經受動態加載。了解釩合金等材料的動態力學性能對產品設計及產品安全有重要意義。

本文中，以釩合金V-5Cr-5Ti為研究對象，采用分離式霍普金森壓桿（SHPB）探討該材料在常溫下的動態壓縮力學性能，分別進行應變率效應試驗、限制應變試驗和應變累積試驗，給出釩合金V-5Cr-5Ti的動態壓縮應力應變曲線、不同應變時的組織形貌，并分析應變歷史對材料性能的影響。

2 試 驗

2.1 試驗設備

試驗在?22mm的SHPB系統上進行。子彈的撞擊速度由激光測速系統測定，試驗信號由粘貼于波導桿上的應變片接受，通過動態應變儀的電路放大后由示波器記錄。應變片位于壓桿的中部，敏感柵絲方向與桿的軸線方向一致，應變片電阻為120Ω，靈敏因數為2.14。采用K54超動態應變儀進行信號放大，頻帶寬為10Hz～1MHz；采用TDS540D數字存儲示波器記錄波形，頻帶寬為DC～500MHz，系統頻響可以滿足SHPB的測試要求。

2.2 應變凍結法

試驗中，部分試件的變形采用應變凍結法加以限制，以獲得指定的應變值。即用1個高度略小于試件原始長度的鋼制限位環，套在試件外面；沖擊加載使試件產生變形，當試件長度與限位環高度相同時，加載由限位環承受，試件不再產生大的變形，從而實現對試件變形的限制，見圖1。

2.3 試驗設計

根據Hopkinson壓桿的具體情況，將試件設計為直徑10mm、長5mm的圓柱形試件。根據試件尺寸，設計了多種高度的限位環。首先，測試了材料在不同應變率范圍內的動態壓縮力學性能；然后，在一種設定的應變率下，利用應變凍結法進行了不同變形的動態壓縮試驗，并進行了試驗后材料的解剖和光學顯微鏡觀察，以期獲得材料在不同變形下的組織特性；最后，采用應變凍結法對試件進行多次壓縮加載，研究材料的應變累積效應。

圖1 應變凍結法示意圖Fig.1Schematic of strain freezing in the test

3 結果與討論

3.1 應變率效應

在10～30m／s的彈速范圍內，測試了材料在不同應變率范圍內的動態壓縮力學性能。根據1維應力波理論，對所得的入射波、透射波和反射波進行處理，得到試件的工程應力和工程應變，再利用下列式子

計算得到試件的真實應力σt和真實應變εt，從而獲得材料的應力－應變－應變率關系。式中：εs為試件的工程應變，以壓為正；εt以壓為正。

試驗得到了V-5Cr-5Ti在102～103s－1應變率范圍內的動態壓縮應力應變關系。圖2為試驗前后試件的形貌。不同應變率下的動態壓縮應力應變曲線如圖3所示。由圖3可見，V-5Cr-5Ti具有明顯的應變率效應，材料的流變應力隨著應變率的升高而升高。如應變率為770s－1時，材料的流變應力（此處均指材料發生0.05應變時的應力）為661MPa；在應變率為2 020s－1時，流變應力為730MPa；在應變率為3 560s－1時，流變應力為784MPa，比應變率770s－1時提高了19%；而材料在5.56×10－2s－1應變率下發生0.05應變時的應力為543MPa。材料的流變應力應變率關系曲線如圖4所示。

圖2 試驗前后試件的形貌Fig.2 Specimens before and after the test

圖3 動態壓縮下V-5Cr-5Ti的真實應力應變曲線Fig.3 True stress-true strain curves of V-5Cr-5Ti

圖4 V-5Cr-5Ti流變應力應變率關系曲線Fig.4 Flow stress-strain rate curve of V-5Cr-5Ti

3.2 限制應變試驗

在子彈速度為30.15m／s的加載條件下（試件應變率為3 560s－1），利用名義高度分別為4.8、4.4、4.0、3.6mm 的限位環對幾個不同試件進行了限制應變試驗。各限位環對應的名義應變分別為0.04、0.12、0.20和0.28；不加限位環的試驗中，試件自由變形，應變可達0.50以上。

圖5為限制應變試驗中各試件的應力應變曲線。當限制應變較?。?.04）時，獲得的應力應變曲線不理想，圖中沒有給出。圖5中3條曲線的尾部上揚部分表示試件變形達到限制應變，限位環對變形產生限制，曲線是試件和限位環共同作用的結果，并不是真實的應力應變曲線，前面部分才是真實有效段。

圖5 在不同的名義應變下限制變形試驗中V-5Cr-5Ti試件的應力應變曲線Fig.5 True stress-true strain curves of the V-5Cr-5Ti specimens in the limited deformation test at different nominal strains

圖6為進行不同應變壓縮后的金相形貌。由圖可見，0.20應變以下的試件金相組織中出現了大量的準靜態下沒有的孿晶組織，但是應變為0.28和0.50的試樣中的孿晶組織急劇減少甚至消失了。這表明：在常溫、準靜態下，釩合金的塑性變形與常規的體心立方金屬相同，以位錯滑移的方式進行。而在高應變率下，應變較小時，塑性變形則以孿生變形的方式為主；隨著應變的增大，由于孿生后變形部分的晶體位向發生改變，可使原來處于不利取向的滑移系轉變為新的有利取向，這樣就可以激發起晶體的進一步滑移，導致孿生的概率減?。?1］。

3.3 應變累積試驗

圖6 應變率為3 560s－1時不同應變壓縮后V-5Cr-5Ti試件的金相形貌Fig.6 Metallurgical structures of the V-5Cr-5Ti specimen in the cases of different strains at the strain rate of 3 560s－1

為了了解應變歷史對材料性能的影響，進行了應變累積試驗，即針對同一試件，進行多次壓縮加載，以考察應變歷史對材料力學性能的影響。分別進行了幾種形式的試驗：1種是采用相同加載速度，控制應變，進行多次加載；另1種則是控制應變，加載速度先低后高或者先高后低。通過這幾種形式，形成了不同的應變加載歷史。

第1組試驗針對同一試件進行了2次加載。首次加載使用了高度為4.60mm的限位環，應變率為1 320s－1；第2次加載使用了高度為4.00mm的限位環，應變率為1 860s－1。圖7（a）為2次加載與應變率效應試驗中單次加載的應力應變曲線對比圖。當應變率從1 320s－1升至1 860s－1時，按照前面應變率效應試驗所揭示的規律（見圖4），應力水平應略有提高，但與以3 560s－1應變率進行的單次加載的應力水平應有較大的差距。而圖7（a）顯示，第2次加載應變率提高不大，其應力水平卻已與3 560s－1時的單次加載相當，其增量遠大于應變率效應引起的變化。

第2組試驗針對同一試件進行了3次加載。首次加載使用了高度為4.60mm的限位環，應變率為1 890s－1；第2次加載使用了高度為4.00mm的限位環，應變率為2 210s－1；第3次加載則在無限位環的情況下進行，應變率為2 460s－1。圖7（b）為3次加載與單次加載的應力應變曲線對比圖。當應變率從1 890s－1升至2 210s－1和2 460s－1時，按照應變率效應試驗所揭示的規律（見圖4），應力水平應有提高，與以3 560s－1應變率進行的單次加載的應力水平尚有一定的差距。但從圖7（b）中可以看到，第2次加載時其應力已與3 560s－1時的單次加載相當，第3次加載時的應力水平則超過了以3 560s－1應變率進行的單次加載。

圖7 不同加載次數試件的應力應變曲線比較Fig.7 Comparison of true stress-true strain curves of the V-5Cr-5Ti specimens loaded different times

另1組試驗第2次加載的應變率從2 960s－1降到1 410s－1，但應力不僅沒有依照應變率效應試驗中揭示的規律下降，反而有較大的提高，甚至超過3 560s－1時的應力，如圖8所示。

從以上現象可以看到，經過加載以后的釩合金再次加載時，其應力水平有較大的提高，甚至超過了應變率的影響，也即釩合金的應變歷史對應力應變曲線產生的影響較大。試圖從細觀角度來尋求產生這一現象的原因，分別對原始試件、1次加載、2次加載和3次加載后的試件進行了金相顯微觀察，圖9為各試件的金相形貌圖?？梢钥吹?，各試件的金相組織均為等軸的釩基固溶體，晶粒大小沒有明顯的變化。也即，加載歷史對釩合金細觀金相形貌的影響不明顯。進一步進行了透射電鏡的觀察，但也未獲得有價值的結果。應變歷史對應力應變曲線產生較大影響的原因，需作更深入的研究。

圖8 應變率向下跳躍對應力應變曲線的影響Fig.8 Effect of strain rate jump from 2 960s－1 to 1 410s－1 on stress-strain curves

圖9 經歷不同加載次數的試件的金相形貌Fig.9 Metallurgical structures of the V-5Cr-5Ti specimens loaded different times

4 結 論

以釩合金 V-5Cr-5Ti為研究對象，采用霍普金森壓桿（SHPB）研究了材料在常溫下的動態壓縮力學性能，分別進行了應變率效應試驗、限制應變試驗和應變累積試驗，給出了釩合金 V－5Cr-5Ti的動態壓縮應力應變曲線、不同應變時的金相形貌，得到以下結論：

（1）V-5Cr-5Ti具 有 明顯的應變率效應。應變率為3 560s－1時的流變應力比應變 率 770s－1時 提 高 了19%；與準靜態下相比，提高了44%。

（2）在高應變率下，應變較 小 時，V-5Cr-5Ti晶 體 的滑移較難進行，塑性變形以孿生變形為主。隨著應變的增大，由于孿生后變形部分的晶體位向發生改變，使原來處于不利取向的滑移系轉變為新的有利取向，激發起晶體的進一步滑移，導致孿生的概率減小。

（3）經過加載以后的釩合金再次加載時，應力水平有較大的提高，甚至超過了應變率的影響。但加載歷史對釩合金細觀金相形貌的影響不明顯，各試件的金相組織均為等軸的釩基固溶體，晶粒大小沒有明顯的變化。應變歷史對應力應變曲線產生較大影響的原因，需作進一步研究。

對北京有色金屬研究總院崔瞬研究員提供的試驗材料以及中國工程物理研究院環境試驗中心國家認可實驗室陳勇梅、牛偉提供的靜態測試數據，謹表感謝！

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Dynamic compressive mechanical properties of V-5Cr-5Ti at room temperature＊

XIE Ruo-ze1，HU Wen-jun1，CHEN Cheng－jun1，PAN Xiao-xia1，HE Peng1，ZHANG Fang－ju1，CHEN Jie2
（1.Institute of Structural Mechanics，China Academy of Engineering Physics，Mianyang621900，Sichuan，China；
2.School of Civil Engineering and Architecture，Southwest University of Science and Technology，Mianyang621000，Sichuan，China）

Strain rate effect tests，limited strain tests and cumulated strain tests were conducted on a vanadium-based alloy（V-5Cr-5Ti）respectively by using a split-Hopkinson pressure bar（SHPB）system at room temperature.The effects of strain rate and strain cumulating on the dynamic compressive mechanical properties of V-5Cr-5Ti were analyzed.The microstructures of the specimens before and after dynamic compression were investigated by applying an optical microscope.The experimental results show that the dynamic properties of V-5Cr-5Ti exhibit obvious sensitivity to the strain rates and the strain history，and the effect of strain history is more obvious.For specimens at high strain rates，the twins appear when the strain is smaller than 0.20，and the twins decrease while the strain is larger than 0.20.

solid mechanics；mechanical properties；dynamic compression；V-5Cr-5Ti；SHPB

26October 2009；Revised 13March 2010

XIE Ruo-ze，xierz＠caep.ac.cn

（責任編輯 張凌云）

O347.4 國標學科代碼：130·15

A

2009-10-26；

2010-03-13

中國工程物理研究院科學技術發展基金重點項目（2007A04001）

謝若澤（1970— ），男，碩士，副研究員。

1001-1455（2010）06-0641-06