TiNi合金沖擊相變過程中溫度變化規律的實驗研究*

劉永貴,唐志平,崔世堂

(中國科學技術大學中科院材料力學行為和設計重點實驗室,安徽 合肥 230027)

通常，相變受溫度和應力的雙重控制。沖擊加載時，由于時間極短可視為絕熱過程。進入相變階段，相變潛熱的釋放/吸收以及相變耗散功的共同作用，將會引起材料溫度的變化，這種溫度的變化反過來又會影響材料性能和瞬態響應[1-4]。可見，溫度是相變過程中的一個重要物理參量，實時測量相變過程中溫度變化是理解相變材料的熱力學性能、分析相變過程中熱和力的耦合作用的實驗基礎。

目前，關于相變過程中溫度變化規律的實驗研究多集中在準靜態[5-7]，發現經過一次加、卸載循環后試樣溫度均低于初始溫度，但對其物理機制的解釋并沒有形成一致的認識。沖擊加載下的研究很少。Chen Wei-nong等[8]曾嘗試將熱電偶埋入試件的預開孔中，得到了沖擊壓縮下TiNi合金的溫度隨試樣應變變化的關系，但測到的溫度變化量較小，而且在加載段溫度已開始下降，作者解釋為由于孔中產生應力集中和熱傳導的作用，說明該測溫方法本身導致的應力集中可能影響了測溫結果。

紅外測溫技術由于其響應時間快和非接觸性，已廣泛應用于沖擊力學領域[9-11]。但采用該技術對沖擊相變過程中的實時溫度變化規律的研究較少。本文中，采用帶有紅外測溫系統的SHPB沖擊壓縮裝置，實時測量室溫下處于形狀記憶狀態和偽彈性狀態的TiNi合金試樣在加、卸載相變過程中的表面溫度，研究其溫度變化的規律，以及溫度變化對材料相變力學性能的影響。

1 實 驗

材料試樣為直徑8 mm、厚度6 mm的TiNi合金圓柱體，經過不同的熱處理過程，室溫下試樣有兩種不同的熱力學狀態：形狀記憶狀態(SME)和偽彈性狀態(PE)，初始相均為奧氏體相，其相應的熱力學參數通過示差掃描量熱實驗獲得，如表1所示。表1中，ρ為材料密度，L、cp代表相變潛熱和質量定壓熱容，Ms、Mf分別為馬氏體相變的起始和完成溫度，As、Af分別為奧氏體相變的起始和完成溫度。

實驗裝置有兩部分組成[12]：一部分是常規?14.5 mm鋼材SHPB沖擊壓縮裝置，其基本原理為一維應力波理論[13]；另一部分是紅外測溫系統，其物理基礎為斯特藩-玻耳茲曼定理[14]。

正式實驗前，需要在SHPB實驗裝置上對材料試樣進行原位溫度實驗標定，建立示波器電壓信號和被測試樣表面溫度間的定量關系。標定的二次多項式擬合曲線為[12]:

θ=24.40+8.54×10-2U-1.38×10-5U2

(1)

式中：θ為攝氏溫度，℃；U為電壓，mV。

表1 TiNi合金基本熱力學參數Table 1 Properties of TiNi alloy in the experiment

2 結果和分析

共進行了6發實驗，SME和PE試樣各3發，子彈材料為A3鋼，長度均為200 mm，表2給出了沖擊壓縮實驗的條件和主要結果。表2中，v0為碰撞速度，σt為相變臨界應力，εm為最大相變應變，εr為殘余應變。圖1為兩種試樣的典型應變和紅外探測器記錄波形，由其中的應變波形并根據一維應力波理論可得到對應的應力應變曲線，由紅外探測器波形和溫度-電壓標定公式(1)可得到相應的溫度響應。圖2～3分別給出了SME和PE試樣的應力應變曲線和溫度響應的實驗結果。對比圖2(a)和2(b)、圖3(a)和3(b)，得到相變過程中溫度的變化規律，如圖4～5所示。

表2 實驗的參數和主要結果Table 2 Experimental parameters and main results

圖1 TiNi形狀記憶合金試樣的典型沖擊壓縮信號圖Fig.1 Raw data of shock compression of TiNi alloy specimen

對初始SME狀態的試樣，其應力應變關系和實時溫度曲線如圖2所示。圖2(a)中，隨著撞擊速度的增大，加載相變最大應變隨之變大，但相變初始閾值應力基本不變。在圖2(b)中，低速撞擊(實驗1)下，溫度從A點開始升高，到B點時溫度最高(為約30.4 ℃)，隨后保持最高溫度不變；隨著撞擊速度的增大(實驗2)，溫度經過AD段升高至37.5 ℃后略為降低，然后保持不變；當撞擊速度進一步增大(實驗3)，溫度先升高到約48.0 ℃，后降低至約31.0 ℃。上述溫度變化的規律是同其加、卸載過程中相變變形有關的，圖4表明：在3種不同撞擊速度下，其溫度變化均經歷了加載馬氏體相變過程的溫度升高，并且分別在相變應變最大點B、D、F處溫度最高，但其卸載過程中溫度變化是不同的。實驗1(見圖4(a))中，卸載過程BC近似為彈性卸載，溫度保持最高加載溫度基本不變；實驗2(見圖4(b))中，卸載時DE溫度略有降低；實驗3(見圖4(c))中，卸載過程FG溫度顯著降低，降低幅值約17 ℃，主要原因在于，其加載最高溫度48 ℃超過了奧氏體逆相變開始的相變溫度點As=46 ℃，卸載時，發生部分馬氏體到奧氏體的逆相變，導致卸載過程溫度降低。

圖2 初始SME狀態試樣的應力應變關系和實時溫度Fig.2 Stress-strain curves and real-time temperature curves of SME specimens

由圖3(a)可知：對初始PE狀態試樣，相變初始閾值應力基本不隨撞擊速度的增大而升高，如A點所示，為約589 MPa，并且存在不同程度的殘余應變,具體大小見表2。對實驗試樣回收觀察發現，室溫下，8～12 h后，殘余變形基本恢復，說明其殘余應變為馬氏體相應變。在圖3(b)中，3次實驗溫度變化均是一個先升溫(AB、AD和AF段)后降溫(BC、DE和FG段)的過程，并且隨著撞擊速度的增大，最高加載溫度(B、D和F點)和卸載完成溫度(C、E和G點)隨之升高。圖5表明，溫升為相應的加載相變過程，溫降為卸載逆相變過程，并且在加載相變應變最大時，溫度最高，這同文獻[8]中結果不同；經過一個加、卸載循環后，試樣溫度高于其初始溫度，這同準靜態實驗結果[5-7]不同，原因在于相變耗散功和殘余相變潛熱的共同作用。

圖3 初始PE狀態試樣的應力應變關系和實時溫度Fig.3 Stress-strain curves and temperature curves of PE specimens

圖4 初始SME狀態試樣的沖擊相變過程溫度變化Fig.4 Temperature change of SME specimens in the process of phase transformation

圖5 初始PE狀態試樣的沖擊相變過程溫度變化Fig.5 Temperature change of PE specimens in the process of phase transformation

由圖2～3可知，TiNi合金沖擊相變過程存在溫度的變化，并且溫度的高低同相變應變有關。由從能量守恒，引起材料溫度變化的熱量來自于兩部分：一部分是相變潛熱，另一部分是相變耗散功。沖擊加載時，一般不考慮試樣內的熱傳導和試樣與外界的熱流作用，其溫度變化規律遵從能量守恒定律：

(2)

式中：T為絕對溫度，σ、εp分別為應力和相變應變，ρ、cp、α、L分別為材料密度、質量定壓熱容、相變耗散功熱轉化系數和相變潛熱；z為新相體積分數，z=εp/εl，εl為相變完成應變，為約0.048。

對公式(2)積分，可得：

(3)

式中：W為相變耗散功，即應力應變曲線下所圍面積；Q為相變潛熱，其大小近似同相變應變成正比。

表3給出了由公式(3)計算得到的結果和通過標定公式(1)換算得到的測量溫度，計算時，α取0.9。表3中，θm為最大加載溫度，θu為卸載溫度，θ1為耗散功產生的溫升，θ2為相變潛熱產生的溫升。由表3可知，加載相變耗散功溫升在初始SME狀態下為相變潛熱溫升的1/8～1/5，而在初始PE狀態下其貢獻同相變潛熱幾乎相當，因此相變耗散功對溫度變化的貢獻不可忽略。由計算溫度可以看到，兩種材料試樣卸載后溫度均高于初始溫度(24 ℃)，但其物理機制不同：對SME試樣，其主要原因在于加載釋放的相變潛熱的貢獻；而對PE試樣，在于經過一個加卸載循環后的相變耗散功和殘余相變應變引起的部分相變潛熱的共同作用。對比加、卸載相變過程測量溫度和計算溫度，兩者基本一致，說明紅外瞬態測溫的方法用于材料沖擊變形過程中實時溫度測量是可行的。

表3 測量和計算的溫度Table 3 Measured and calculated temperatures

3 結 論

(1)TiNi合金試樣沖擊相變過程中存在溫度的變化。加載過程中，溫度隨著相變應變的增大而升高，應變最大時，溫度最高。卸載過程中：若為初始PE狀態試樣，則溫度先降低后保持一定溫度基本不變；若為初始SME狀態試樣，卸載過程溫度變化規律同加載最高溫度有關。

(2)定量溫度計算結果表明，相變耗散功對相變加、卸過程中溫度變化的作用不可忽略，尤其是對初始PE狀態試樣。

(3)沖擊相變過程溫度的變化對材料的熱力學性能和瞬態響應有影響。初始SME狀態試樣的溫度效應體現在，溫度的升高可改變其加載后的狀態和卸載路徑，使其從SME狀態變為PE狀態，從彈性卸載變為部分逆相變卸載，而初始PE狀態材料試樣在相變過程中溫度的變化改變了其加、卸載路徑。

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