TiNi合金圓薄板的橫向沖擊特性實驗*

崔世堂,唐志平,鄭 航

(中國科學技術大學中國科學院材料力學行為和設計重點實驗室，安徽 合肥 230031)

形狀記憶合金作為一種新型智能材料，具有形狀記憶功能以及獨特的偽彈性特性。處于偽彈性狀態的TiNi合金，其相變滯回環可以吸收能量，且沒有殘余變形，在工程結構抗震防護、沖擊吸能方面顯示了潛在的優勢，已在復合材料抗沖擊領域得到較廣泛應用。J.S.N.Paine等[1]發現，盡管形狀記憶合金纖維的體積分數僅2.8%,卻能極大地提高復合材料梁的抗沖擊破壞能力和吸能能力。V.Birman等[2]研究表明，低速沖擊下含形狀記憶合金纖維的碳/環氧層合板的撓度可降低1/3左右。對于TiNi形狀記憶合金結構件在沖擊條件下的動態力學行為的研究，十分有限。唐志平等[3]和張興華等[4-5]對處于偽彈性狀態的TiNi合金懸臂梁進行了沖擊實驗研究，發現和普通彈塑性梁迥然不同的運動、變形和吸能特性，并提出“相變鉸”的概念。吳會民等[6]和黃赫等[7]對TiNi合金固支梁進行了沖擊實驗，指出由于軸力的作用相變鉸成為拉伸側的單邊鉸，具有和塑性鉸不同的特性。唐志平等[8]研究了TiNi合金圓柱薄殼的結構沖擊響應和屈曲模態。

本文中，對偽彈性狀態TiNi形狀記憶合金圓薄板進行沖擊實驗，并和彈塑性鋼板比較，了解TiNi圓薄板的沖擊響應特性以及復雜應力狀態下相變區域的傳播規律。

1 實 驗

1.1 TiNi合金材料性能

TiNi合金板成分為w(Ti)=49.1%,w(Ni)=50.9%，室溫下處于偽彈性狀態。用MTS809試驗機測得該材料室溫下的拉伸力學參數如下(材料性能測定所用試件與下文實驗所用試件取自同一塊TiNi合金板)：彈性模量為62 GPa，密度為6 450 kg/m3，泊松比為0.3，相變起始應力和完成應力分比為465和545 MPa；逆相變的起始應力和完成應力分別為248和160 MPa，相變應變為0.04。

1.2 實驗裝置

實驗在中國科學技術大學經過改造的?37 mm分離式Hopkinson壓桿上進行，實驗裝置如圖1所示。TiNi合金板試樣尺寸為220 mm×220 mm×2 mm，用12個M10預應力螺栓把試件固定在兩塊鋼板(鋼板厚度10 mm)之間，鋼板中間開有?180 mm的圓孔(即試件的實際實驗尺寸)并固定在支座上。子彈材料為45鋼，經過熱處理以提高表面硬度。子彈的直徑為14 mm，長度分別為200和100 mm，頭部呈半球形，確保撞擊時近似滿足點接觸的條件。用高速攝像機CCD1(Phantom V7.1)拍攝子彈撞擊過程，拍攝頻率為10 000 s-1，觀察子彈和板的相互作用過程。采用陰影云紋法測量加載過程中板的全場撓度分布，光柵置于板前方10 mm處，用高速攝像機CCD2(Phantom V12.1)記錄云紋的變化，拍攝頻率為50 000 s-1。為了增加云紋圖像的對比度，試件表面噴涂亞光白漆，光源采用脈沖氙燈。第N級條紋處的撓度近似計算公式為：

(1)

式中：參考柵節距P=0.2 mm，光源與相機之間的距離D=36 mm，光柵到光源的距離L=58 cm。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Experiment apparatus sketch

板的兩側共粘貼11個應變片(黃巖測試儀器廠，BX120-1AA型，敏感柵尺寸1mm×1mm，阻值(119.7±0.1) Ω，靈敏度系數2.08(1±1%))。應變片A代表自由側，應變片B代表加載側。下標第1個數字代表應變片所在的位置，位置1～4距離板中心的距離分別為5、30、55和85 mm，第2個數字1和2分別代表徑向和環向，應變片A0粘貼在A側板中心，如圖2所示。

圖2 應變片位置示意圖Fig.2 Sketch of strain gauge location

2 實驗結果

共進行了6次實驗，主要的實驗結果見表1。l為子彈長度，v1和v2分別為子彈撞擊前的瞬間速度和撞擊后的回跳速度，由CCD1拍攝的圖像判讀。wm為板中心最大撓度，通過處理CCD2上拍攝的云紋圖像得到。wre為剩余撓度擾度。ed為耗散能，是撞擊前后子彈損失的動能。實驗后TiNi試件觀測不到殘余撓度，而回收的A3鋼試件測量到明顯的殘余撓度。圖3是實驗1中典型時刻的云紋記錄圖像，圖4是根據云紋圖像得出不同時刻沿徑向的撓度曲線。

表1 主要實驗結果Table 1 Experimental results

圖3 實驗1云紋圖Fig.3 The moire patterns of experiment 1

圖4 撓度曲線Fig.4 The deflection curves

2.1 TiNi合金板的橫向沖擊行為

子彈以一定速度和板發生碰撞后，將向板內傳入一道彎曲波和一道剪切波，使板發生運動和變形，同時向子彈內傳入一道壓縮波，使子彈的運動速度減小。由于剪切波的幅值比較小，板的變形主要由彎曲波引起。子彈和板的響應以及碰撞點的接觸狀態，取決于波在子彈和板內的傳播和作用。

圖5是實驗1測得的5 ms內的應變波形，仔細觀察該記錄波形，可見如下特征：(1)AB兩側1、2、3和4處對稱粘貼的應變波形呈現對稱結構，只是應變幅值上稍有差別，表明主要呈現動態彎曲響應。(2)所有波形均疊加周期約77 μs的高頻震蕩，該周期和波在子彈中往返一次的時間基本相同，說明這種高頻振蕩是由于波在子彈中傳播所致。(3)從空間分布看，2、3和4處的應變信號比較小(小于0.002)，遠低于相變臨界應變0.007 5，可以推測整個沖擊過程中，離板中心30 mm以外的區域都處于彈性狀態，并沒有發生相變。中心A0處最大應變信號遠超過相變臨界應變，A12信號則略高于相變臨界應變，說明相變區分布可能略大于5 mm以內。(4)從時域過程看，盡管板內波系復雜，按A0處的應變信號可以把沖擊過程板的動態結構響應劃分為3個階段：階段1(0～1.24 ms)為加載段，A0應變信號呈現總體上升態勢，階段2(1.24～2.36 ms)為卸載段,A0應變信號呈現總體下降態勢，其中1.80 ms后應變信號的波動增加由板和子彈再次撞擊產生，階段3(2.36 ms后)為自由振動段，A0的應變信號呈現周期性的變化。

圖5 實驗1中測得的應變波形Fig.5 Strain wave profiles of experiment 1

我們進一步分析加載段的響應，A0在約1.24 ms時徑向應變達到最大值為0.022 8，A側1處應變最大值僅為0.006 7，時間略有延遲。可以看出，彎曲波自中心向外傳播，由于二維效應沿徑向迅速衰減。由于沖擊過程中板內波系比較復雜且相互作用，彎曲波自中心向外傳播的過程中，很難保證不受干擾，實驗中2、3和4處的應變信號則是波系綜合作用的結果。

圖6是0.2 ms內的應變波形，可見每個應變信號頭部均出現正負交替變化，而且幅值逐漸增大，周期逐漸變長，這正反映了彎曲波的彌散特性。利用實驗測得的材料參數，可以計算TiNi合金彈性彎曲波頭波速為1 783 m/s[9]。根據圖6中A0與A21、A21與A31、A31與A41的起跳時間，可以得到3個區段內彎曲波速c02、c23和c34分別為1 739、1 732和1 698 m/s，似乎有下降趨勢，平均為1 723 m/s，略小于理論波速，基本相符。彎曲波從碰撞中心至板的邊界往返一次約100 μs，一般往返3～5次后(約0.3～0.5 ms，對應于圖5(a)中的點S)，可以認為試件從波動響應為主過渡到以動態結構響應為主，即點S把板的響應時域劃分為波動響應階段和結構響應階段。有趣的是，緊跟點S后波形有一個明顯跌落，意味著子彈和靶板有短暫分離。圖7是高速CCD1記錄得到的子彈位移和速度曲線，相應時刻(0.5～0.8 ms)子彈速度變化很小，也說明兩者有短暫脫離。

圖6 局部應變波形Fig.6 Local strain wave profiles

圖7 實驗1子彈的位移和速度Fig.7 Displacement and velocity of bullet in expriment 1

圖8 等效應變Fig.8 Equivalent strain

由于板內材料處于復雜應力狀態，僅憑徑向或環向應變無法判斷材料是否發生相變，我們采用等效應變觀察[10-11]。圖8是A0以及AB兩側1處3 ms內的等效應變圖，可以看出：(1)在0.260 ms(點a)時，A0處的等效應變首次超過相變臨界應變，表明A側中心表層材料開始發生奧氏體至馬氏體的轉變。由于子彈和板短暫脫離，0.5 ms左右應變下降，到0.854 ms時(點b)，A0處的等效應變值再次超過0.007 5，表明中心材料重新進入相變狀態。隨后板在子彈推動下，A側A0和1處的等效應變均呈上升趨勢，表明相邊界自中心向外傳播。在1.256 ms時，A側1處的等效應變最大值為0.007 9，超過相變臨界應變，說明A側相變區已經傳播到距中心5 mm處，由此可以初略的算出撞擊下薄板的相變區(相邊界)平均傳播速度為約12.4 m/s。(2)B側1處等效應變最大值僅為0.005，表明還未發生相變，兩側相變區呈現非對稱性，拉伸側大于壓縮側，這是由于材料的拉壓不對稱性以及局部膜力導致的。(3)A0處的等效應變最大值為0.018(點d)，而1處僅為0.007 9，可見由于板的二維效應幅值有很大的衰減。(4)1.092 ms(點c)時，A0處的等效應變達到0.015，超過2倍等效相變臨界應變，表明在A側中心處形成了相變鉸[8]，相變鉸區將承受主要變形和吸能作用。

卸載段持續的時間為約1.10 ms，和加載時間基本持平。卸載過程中板推動子彈向回運動，子彈有一個反向加速的過程。由圖8，A0和A、B兩側1處的應變減小，相變區收縮。1.325 ms(點e)時，A0處的等效應變開始低于0.015，A側中心區的相變鉸消失，相變鉸存在的時間為約0.24 ms。1.650 ms時，A0處的等效應變小于等效逆相變完成應變0.002 6，表明逆相變完成，板處于純奧氏體相。2.34 ms后，卸載完成，整個板進入自由振動狀態。

2.2 鋼板的橫向沖擊行為

鋼板試件上貼有8個應變片，1、2和3處離板中心的距離分別為5、45和85 mm,應變片命名規則以及測量方法和TiNi合金板相同。

圖9是實驗5記錄的應變波形，比TiNi板波形平滑，A、B兩側相同位置處的應變波形基本對稱，A側幅值稍大，兩側環向應變明顯大于徑向應變。兩側2和3處的徑向應變比較小(小于0.002),可推測2和3處仍處于彈性狀態。子彈沖擊鋼板的動態響應過程也可以分為3個階段，加載段(0～0.894 ms)、卸載段(0.894～1.865 ms)和自由振動段(1.865 ms后)，如圖10所示。

圖9 實驗5中測到的應變波形Fig.9 Strain wave profiles of expriment 5

圖10 等效應變Fig.10 Equivalent strain

圖10給出了鋼板A、B兩側1處3 ms內等效應變隨時間變化曲線，可以看出，從約0.5 ms開始，A側的應變開始比B側的大，這主要是由于該處的膜力較大所致。0.894 ms時，A、B兩側等效應變達到最大值分別為0.005 7和0.004 6，遠大于臨界塑性等效應變，可推測加載過程中板中心形成塑性區的半徑超過5 mm，塑性區一旦形成，它將承擔板中主要的變形和能量的吸收。在0.5 ms左右，1處應變突然下降，是由于子彈和板有短暫脫離造成的。

卸載階段持續時間為0.971 ms，比加載時間略長。到1.865 ms時，卸載過程結束，此時A、B兩側1處的殘余等效應變分別為0.003 4和0.002 6，形成永久塑性區，可推測塑性區的半徑不小于5 mm。1.865 ms后，從高速CCD1的圖像可以看出，子彈和板已經完全脫離，板處于自由振動狀態。回收樣品具有殘余橈度，見表1。

3 結論與討論

對處于偽彈性狀態TiNi合金圓薄板和圓薄鋼板，在相同約束條件下進行了橫向沖擊實驗，并對比了兩種材料板的動態響應，結果表明：

(1)沖擊加載條件下，TiNi合金板的早期響應以彎曲波傳播的波動響應為主，彎曲波在板內往復傳播3～5次(約0.5 ms)后，板逐漸過渡到以整體結構響應為主。

(2)相變首先發生在撞擊點附近的中心區域并形成相變鉸，相變區以及相變鉸區具有明顯的可回復性并承擔了大部分的變形和能量吸收。鋼板中心區域進入塑性狀態并形成塑性鉸區。沖擊完成后TiNi試件沒有殘余變形，而鋼試件明顯存在殘余應變。TiNi合金固支圓薄板的響應特性受其熱彈性馬氏體相變和逆相變支配，與鋼試件的彈塑性行為有根本的不同。

(3)從實驗結果看，鋼試件的吸能效率優于TiNi合金試件，這是由于TiNi材料彈性模量比鋼低而相變臨界應力遠大于鋼的屈服應力，使在相同撞擊條件下TiNi合金板中心的最大撓度比鋼板大，TiNi試件相變區的范圍遠小于鋼試件塑性區的范圍。

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