TC4在動態載荷下的剪切行為研究

蘇冠龍，龔 煦，李玉龍，郭亞洲，索 濤

(西北工業大學航空結構工程系，陜西 西安 710072)

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TC4在動態載荷下的剪切行為研究

蘇冠龍，龔 煦，李玉龍，郭亞洲，索 濤

(西北工業大學航空結構工程系，陜西 西安 710072)

使用分離式霍布金森壓桿(SHPB)對2種TC4(Ti-6Al-4V)試樣(單邊剪切試樣與雙邊剪切試樣)在應變率104s-1下進行動態剪切加載，利用SIM D8高速照相系統捕捉了絕熱剪切帶擴展的整個歷程，得到了TC4在拍照時刻的應力應變曲線；使用金相顯微鏡和SEM掃描電鏡對TC4絕熱剪切帶的微觀形貌進行觀察，發現絕熱剪切帶寬度為5～12 μm，斷口從韌窩斷裂演變為解理斷裂，可觀測到韌窩狀與河流花樣斷口形貌，但是并未看到相變的發生；對2種試樣就產生絕熱剪切帶的形式與敏感性進行了分析，實驗表明雙邊試樣更易產生絕熱剪切帶；通過高速照相系統的標定換算，得到TC4絕熱剪切帶產生的臨界剪切應變在78%～88%之間。在SHPB動態加載條件下，TC4絕熱剪切帶的擴展速度在460～1 250 m/s之間，且應變率越高，剪切帶擴展越快，擴展平均速度與名義應變率近似呈線性關系；另外，在同一加載速率下，剪切帶并不是勻速擴展，其擴展速度隨載荷的增加而不斷增加。

固體力學；絕熱剪切帶；臨界剪切應變；擴展速度；高速照相；微觀分析；TC4

絕熱剪切失效是一種韌性材料受到動態沖擊加載時常見的失效模式，其主要特點是在失效時存在一條細長的窄帶——絕熱剪切帶(adiabatic shear band, ASB)[1]。絕熱剪切帶是一種熱力學現象，是由于在極高的應變率下，局部大塑性畸變產生的熱來不及傳輸出去，導致變形加劇而形成的[2]。這種現象在很多工程領域中都可以觀察到，比如切削、鍛造、鳥撞、彈道沖擊等[3]，它的形成會導致材料的失效斷裂并失去能量傳載能力，所以需要全面的了解絕熱剪切帶的形成與擴展，從而避免其危害。

很多學者研究絕熱剪切帶時采用TC4合金[4-8]，主要原因是TC4密度較低、熱傳導差、易于產生剪切帶等特點，本文中也使用這種材料。TC4對絕熱剪切帶十分敏感，而且在工業及航空領域中使用廣泛，對它進行剪切加載的實驗有很多種，比如薄壁圓管實驗、帽型實驗、圓柱壓縮試驗等[4,9]。動態加載方法也很多，如爆炸、彈道沖擊、切削等[10-12]。大量學者對其在不同方面的表現都做了詳盡的研究，比如ASB成因、不同金屬材料對產生ASB的敏感性分析、產生過程中微觀的變化以及溫度的升高等[13-16]。

由于ASB產生擴展十分迅速(一般在102μs量級)，實驗中很難把握其出現的時機，所以在ASB產生擴展方面的研究進展較慢。近些年來，有關ASB的研究大多集中于微觀角度研究和數值模擬上，而對其過程進行直接觀測的研究很少。A.Marchand等[17]最早對鋼材進行了這方面的研究，對其擴展大致進行了描述，并對剪切帶的速度進行了簡單的估算。隨后不久，J.J.Mason等[18]提出鋼材剪切帶產生時的速度大致為320 m/s。S-C.Liao等[7]用霍普金森扭桿對TC4的薄壁圓管試樣進行加載，給出了一組高速照相下的照片，但由于相機拍攝速率的原因照片并不清晰，沒能給出剪切帶產生到裂紋擴展結束的詳細過程。M.Zhou等[19-20]對C-300鋼材和TC4兩種材料進行了研究，給出了剪切帶和裂紋擴展的過程，但由于相機拍攝的分辨率較低，照片的質量不高。由于TC4產生剪切帶極為迅速，剪切帶產生后裂紋隨即擴展，較難得到如鋼材一樣較長的剪切帶，故實驗中很難把握，基本沒有對剪切帶直觀、詳細的描述。

本文中采用分離式霍布金森壓桿(SHPB)[21]對單邊和雙邊TC4(Ti-6Al-4V)試樣進行動態加載，配合超高速照相技術，探索在宏觀應變率為104s-1左右時絕熱剪切帶和裂紋的產生和演化過程，并對TC4剪切帶的擴展速度進行估算。

1 實驗方法

本文中采用分離式霍布金森壓桿對試樣進行動態加載，加載如圖1(a)所示。第1種試樣的尺寸與M.Zhou等[19]使用的單邊試樣類似，記為TC4-A，如圖1(b)所示。由于第1種試樣產生的剪切帶長度只有5～8 mm左右(與文獻[19]的實驗情況基本一致)，設計了第2種雙邊試樣，記為TC4-B，如圖1(c)所示，動態加載時，沿預制裂紋方向的剪切區域內均產生了剪切帶。這2種試樣在實驗前由400#、800#、1000#、1500#、2000#砂紙依次打磨后拋光，然后用HF、HNO3、H2O的體積比為1∶2∶47的溶液進行腐蝕，利用細砂紙在試樣表面劃出多條均勻平行的“條紋”，最后裝夾在實驗臺上，試驗過程中使用SIM D8超高速照相機對處理的試樣表面進行拍攝。在一般的SHPB加載中，應力波在入射桿和反射桿中多次傳播導致重復加載，這使得估算的試樣變形大于實際真實變形，為更好的了解材料在高應變率下的變形機理，采用經過改進的、可實現單脈沖加載的SHPB系統[2]，如圖1(a)所示。實驗中通過應變片同時觸發數據采集系統和相機，可以得到相機捕捉的圖像在應力應變曲線上所對應的點。

圖1 實驗與試樣Fig.1 Experiment setup and test samples

2 實驗結果

假設試樣滿足一維應力波理論，通過應變片信號可以得到εI(t)(入射應變)和εR(t)(反射應變)，由式(1)～(4)可以得到如圖2所示的平均剪應力-名義應變曲線：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：τs為平均剪應力，εs為名義應變，γ是名義剪應變，P為試樣受到的力，As為剪切面積，c0為入射波波速，L為試樣標距段長度，δ是剪切位移，x是剪切區域的寬度

(5)

(6)

表1 實驗結果

圖2 平均剪應力-名義應變曲線Fig.2 The average shear stress-strain curve

3 分析與討論

3.1 絕熱剪切帶擴展歷程

2種試樣的剪切帶擴展歷程基本一致，由于尺寸不同，得到的圖像與信號略有區別。以TC4-B6號試樣為例，通過高速照片可以觀測到剪切變形的產生擴展歷程，如圖3所示(照片與試樣表面呈180°翻轉)。整個過程可分為以下階段：第1階段試樣均勻變形(圖3(a)～3(b))；第2階段試樣產生非均勻變形(圖3(c))；第3階段非均勻變形不斷嚴重，絕熱剪切帶產生擴展(圖3(d)～3(f))；第4階段發生斷裂(圖3(g)～3(h))。這一過程與文獻[17]提出的理論一致。

圖3 剪切帶擴展高速照片(TC4-B6,時間間隔4 μs)Fig.3 Ultra-high speed photographs of extending shear zone(TC4-B6, time interval: 4 μs)

圖4 TC4-B6平均剪應力-名義應變曲線Fig.4 Average shear stress-strain curve of TC4-B6

圖4給出了TC4-B6試樣的剪切應力應變曲線，同時標出了8張高速照相照片所對應的數據(a～h)?？梢钥闯觯篴～d之間，應力狀態十分平穩，此時試樣正在經歷從均勻變形到非均勻變形累積的過程；e對應時刻之后很快出現了應力下降的現象，到f時應力曲線已經明顯下降，說明在e對應時刻前后剪切帶產生，隨后在f對應時刻的時間區間內不斷擴展；在g對應時刻應力已經下降到可以認為試樣失效的范圍，照片中裂紋也已完全形成。在整個歷程中，可以看出絕熱剪切帶產生后應力突然下降，裂紋緊隨著絕熱剪切帶產生并迅速擴展，這使得應力曲線迅速下降，試樣失效。另外，圖4中照片a處的名義應變達到了2，而在照片中并沒有看到明顯的變形，說明通過應變片測得的名義應變偏大，存在一定的誤差，這與第2節中所描述的情況一致。且圖4中標注照片時刻處的名義應變也與照片不能很好的對應，所以需要對試樣的局部剪切應變進行分析，并與名義應變進行比較。

3.2 絕熱剪切帶產生擴展時的局部剪切應變

圖5 局部剪切應變計算結果Fig.5 Schematic calculation of local shear strain

圖6 TC4-B6局部剪切應變-加載時間曲線Fig.6 Local shear strain-loading time curve of TC4-B6

對試樣的“預制條紋”進行分析，以TC4-B6為例(圖3)，實驗前試樣表面的條紋均為直線，實驗時絕熱剪切帶產生擴展，使得“條紋”在剪切區域內發生了不同程度的錯動，由此可對試樣的局部剪切應變εp進行估算。取圖3所示試樣為例進行計算，結果見圖5。對圖3(a)取虛線處“條紋”進行分析，將圖3(c)～3(f)按相同倍數放大，可以繪出與“條紋”錯動相對應的三角形，用像素點數來描述三角形的兩直角邊長，就可以得出試樣在該處的局部剪切應變。對圖3(d)～3(f)中的多條預制“條紋”分別進行計算，取最大值。同樣對其他應變率下的試樣進行計算，得到的結果如表2所示。結合圖3(圖3(c)中沒有剪切帶形成，圖3(f)中裂紋已經形成)和表2中TC4-B6的數據，可以得到在5×104～6×104應變率下，絕熱剪切帶產生擴展時的局部剪切應變范圍大致為78%～221%，這與S-C.Liao等[7]在實驗中得到的結果吻合的很好，他們提出TC4合金絕熱剪切帶的局部剪切應變在75%～350%之間。同時，在圖3(e)中絕熱剪切帶已經明顯產生但它并不是簡單的沿預制剪切區域呈直線向前擴進，而是存在一定的耗散性，如圖3(e)所示。且剪切帶尖端位置的局部剪切應變在0.88左右，預制裂紋尖端處的局部剪切應變為2.21，即沿剪切帶擴展方向的應變梯度約為η=(2.11-0.88)/Δl=8.98 mm-1(Δl為裂紋尖端到剪切帶尖端沿剪切帶擴展方向的距離)。另一方面，注意到在圖3(d)中并沒有明顯的證據表明剪切帶已經產生，因此可以認為絕熱剪切帶在圖3(d)～圖3(d)的時間范圍產生。根據表2中的數據，圖3(d)中的最大局部剪切應變為0.78，而圖3(e)中剪切帶尖端的局部剪切應變約為0.88，所以可以認為絕熱剪切帶產生的臨界剪切應變約為78%～88%。S-C.Liao等[7]提出的理論與本文中的研究結果基本一致。前文提到用入射桿上的應變片測得的名義應變偏大，為更好的描述試樣在動態加載下的力學響應，以加載應力波到達試樣端面時刻為零點，繪制局部剪切應變(εp)時程曲線，如圖6所示。a～d對應時間段，預制剪切區域中逐漸發生變形，應變不斷累積；d～f對應時間段，預制剪切區域內發生了劇烈的變形，應變迅速增加，這與我們斷定剪切帶產生擴展的時刻一致；g～h對應時間段上，試樣已經失效，應變也不再增加，照片中的裂紋也已完全形成。圖4中名義應變最大值為3.2，圖6中局部剪切應變最大值為3.08，這說明試樣的主要變形集中在預制剪切區域內，其他變形是相對小的。

表2 局部剪切應變最大值

3.3 絕熱剪切帶微觀形貌

TC4材料的微觀結構在眾多文獻中都有描述[22-24]，本文中TC4微觀組織也分為α-Ti和β-Ti相。實驗后可觀測到的絕熱剪切帶，如圖7所示，在金相顯微鏡和掃描電鏡下觀測到的TC4絕熱剪切帶，寬度大致為5～12 μm。在圖7中可以看到明顯的α-Ti相和β-Ti相，在絕熱剪切帶產生后，α-Ti相和β-Ti相在剪切帶兩側向相反方向有不同程度的被拉長的現象，并且沒有發現有相變發生。

圖7 絕熱剪切帶照片Fig.7 Photograghs of adiabatic shear band

圖8 絕熱剪切斷裂斷口SEM照片Fig.8 SEM photogragh of adiabatic shear fracture

圖8為試樣破壞后絕熱剪切斷口的掃描電鏡(SEM)圖像。從圖8中可以觀察到斷裂的不同形式：一種為河流花樣，這是斷開時兩個面相互摩擦造成的，這種形式是因為產生絕熱剪切帶時的高溫和熱軟化現象；另一種為韌窩斷口，這種斷口不僅在絕熱剪切帶產生的斷口中可以看到，S.Goods等[23]提出在靜態試驗中也發現類似的情況，這說明只要達到一定的應變，孔洞就會在微觀不均勻的地方成核。這兩種斷口與S.Timothy等[6,24]提出的形式一致，通常上認為原因有兩種：一種是絕熱剪切帶局部高溫造成的熱軟化；另一種是在微觀不均勻的地方受到強烈的剪切而產生了微孔洞。同樣的，在斷口上也沒有發現相變發生的證據。J.Zhang等[25]認為韌窩斷口是由于微孔洞形核、長大并最終連接形成的，表現出韌性斷裂特征；河流花樣斷口則表現出脆性斷裂特征?？梢?，TC4在動態加載過程中沿絕熱剪切帶發生的斷裂失效過程不均勻，韌性及脆性2種斷裂模式的共同作用導致其最終斷裂。

3.4 2種試樣產生剪切帶的形式

圖9 試樣的2種破壞形式Fig.9 Two different failure modles of samples

本文中采用了2種形式的試樣進行實驗。由于設計尺寸不同2種試樣產生的剪切帶長度和位置也不一致，如圖9所示，TC4-A型試樣產生的剪切帶長度為5～8 mm，與預制裂紋成約15°夾角，斷口呈白亮色，之后產生了與預制裂紋方向成約20°～30°夾角的裂紋，斷口呈灰暗色。 TC4-B型試樣在左右兩端均有剪切帶的產生，最終在中間匯合，裂紋也從兩端隨著剪切帶擴展，最終斷裂，剪切帶與預制裂紋方向成約15°夾角，斷口均為白亮色。

隨著加載應變率的不斷提高，剪切帶的長度也逐漸增長，裂紋出現的位置不斷推后，當應變率提高到5×104s-1以上時，剪切帶在整個預制剪切區域內產生擴展，如圖9(b)所示。M.Zhou等[19]在對C-300的研究中提出入射速度臨界值為29 m/s，小于該速度則出現類似于圖9(a)的斷裂形式，超過時為圖9(b)的斷裂形式。

3.5 絕熱剪切帶的擴展速度

由3.1中分析的4個階段可以看出試樣在剪切區域內發生了嚴重的非均勻變形，絕熱剪切帶擴展導致裂紋形成并最終斷裂，即絕熱剪切帶的擴展在非均勻變形之后，裂紋擴展之前，雖然前后時間極短，但在高速照相系統中仍能明顯地觀測到整個過程，如圖3(d)～3(g)。

由3.2節可知，絕熱剪切帶在圖3(d)～3(e)時間產生，圖3(g)中裂紋完全形成。故通過對圖3(d)～3(e)和圖3(e)～3(f)兩個過程中“條紋”變形速度的計算可估算出絕熱剪切帶的擴展速度vasb。對圖3(d)～3(e)過程分析有vasb≈786.5m/s，對3(d)～3(e)過程分析有vasb≈1 094.2 m/s，即絕熱剪切帶的擴展速度非一定值。對TC4-A型試樣，取TC4-A6為例，圖10給出了高速照相機照片。從圖中可以清楚的看到剪切帶和裂紋，對圖10(a)～10(b)的過程進行分析，有vasb≈363.6 m/s；對圖10(b)～10(c)的過程進行分析，有vasb≈609.7 m/s。

圖10 剪切帶擴展高速照相機照片(TC4-A6，時間間隔8 μs)Fig.10 Ultra-high speed photographs of the shear band (TC4-A6, time interval: 8 μs)

圖11 擴展速度對比圖Fig.11 Propagation speed-loading time curve

圖12 名義應變率與剪切帶擴展平均速度的關系Fig.12 Average propagation speed-nominal strain rate curve

4 結 論

通過高速照相技術完整的捕捉了TC4鈦合金在SHPB加載下產生絕熱剪切帶的歷程，對其應力應變曲線進行了分析，并且建立了變形過程與應力應變曲線的對應關系，得到如下結論。

(1) 絕熱剪切帶寬度約為5～12 μm，在其兩側α-Ti相和β-Ti相向相反方向有不同程度的拉長現象。絕熱剪切斷口有河流花樣和韌窩斷口2種形式，且沒有觀測到相變的發生。

(2) 對單邊試樣和雙邊試樣做了對比，分析了剪切帶產生的不同，雙邊試樣中絕熱剪切帶更容易產生擴展。

(3) 通過對高速照片的分析，得到了在本文加載條件下絕熱剪切帶產生擴展時臨界剪切應變為78%～88%。

(4) 通過高速照相技術對絕熱剪切帶的擴展速度進行了估算，得到了絕熱剪切帶擴展速度的范圍(460～1 250 m/s)，且其隨加載歷程不斷增大；實驗應變率越高，絕熱剪切帶產生越迅速，擴展越快；擴展平均速度與名義應變率近似呈線性關系。

[1] Laboulaye C, M Tiers C N D A E, De Laboulaye C P L. Annales du conservatoire des arts et métiers[M]. Gathier-Villars, 1863.

[2] Dodd B, Bai Y. Adiabatic shear localization: Frontiers and advances[M]. Elsevier Science, 2012.

[3] Zener C, Hollomon J. Effect of strain rate upon plastic flow of steel[J]. Journal of Applied Physics, 1944,15(1):22-32.

[4] Peirs J, Verleysen P, Degrieck J, et al. The uses of hat-shaped specimens to study the high strain rate shear behaviour of Ti-6Al-4V[J]. International Journal of Impact Engineering, 2010,37(6):703-714.

[5] Guo Y, Li Y. A novel approach to testing the dynamic shear response of Ti-6Al-4V[J]. Acta Mechanica Solida Sinica,2012,25(3):299-311.

[6] Timothy S, Hutchings I. Initiation and growth of microfractures along adiabatic shear bands in Ti-6AI-4V[J]. Materials Science and Technology, 1985,1(7):526-530.

[7] Liao S-C, Duffy J. Adiabatic shear bands in a Ti-6Al-4V titanium alloy[J]. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 1998,46(11):2201-2231.

[8] Rittel D, Wang Z. Thermo-mechanical aspects of adiabatic shear failure of AM50 and Ti6Al4V alloys[J]. Mechanics of Materials, 2008,40(8):629-635.

[9] Kolsky H. An investigation of the mechanical properties of materials at very high rates of loading[J]. Proceedings of the Physical Society Section B,1949,62(11):676.

[10] Baker W E, Yew C. Strain-rate effects in the propagation of torsional plastic waves[J]. Journal of Applied Mechanics, 1966,33(4):917-923.

[11] Culver R S. Torsional-impact apparatus[J]. Experimental Mechanics, 1972,12(9):398-405.

[12] Wright T W. The physics and mathematics of adiabatic shear bands[M]. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2002.

[13] Meyer L, Staskewitsch E, Burblies A. Adiabatic shear failure under biaxial dynamic compression/shear loading[J]. Mechanics of Materials, 1994,17(2):203-214.

[14] Engineers I O M. Journal of mechanical engineering science[M]. Institution of Mechanical Engineers, 1960.

[15] Guo Y Z, Li Y L, Pan Z, et al. A numerical study of microstructure effect on adiabatic shear instability: Application to nanostructured/ultrafine grained materials[J]. Mechanics of Materials, 2010,42(11):1020-1029.

[16] Xu Y, Zhang J, Bai Y, et al. Shear localization in dynamic deformation:microstructural evolution[J]. Metallurgical and materials transactions A, 2008,39(4):811-843.

[17] Marchand A, Duffy J. An experimental study of the formation process of adiabatic shear bands in a structural steel[J]. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 1988,36(3):251-283.

[18] Mason J J, Rosakis A J, Ravichandran G. Full field measurements of the dynamic deformation field around a growing adiabatic shear band at the tip of a dynamically loaded crack or notch[J]. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 1994,42(11):1679-1697.

[19] Zhou M, Rosakis A, Ravichandran G. Dynamically propagating shear bands in impact-loaded prenotched plates: I: Experimental investigations of temperature signatures and propagation speed[J]. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 1996,44(6):981-1006.

[20] Zhou M, Ravichandran G, Rosakis A. Dynamically propagating shear bands in impact-loaded prenotched plates-II.Numerical simulation[J]. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 1996,44(6):1007-1032.

[21] Chichili D R, Ramesh K, Hemker K J. Adiabatic shear localization in α-titanium: Experiments, modeling and microstructural evolution[J]. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2004,52(8):1889-1909.

[22] Meyers M, Subhash G, Kad B, et al. Evolution of microstructure and shear-band formation in α-hcp titanium[J]. Mechanics of Materials, 1994,17(2):175-193.

[23] Goods S, Brown L. Overview No.1: The nucleation of cavities by plastic deformation[J]. Acta Metallurgica, 1979,27(1):1-15.

[24] Timothy S, Hutchings I. The structure of adiabatic shear bands in a titanium alloy[J]. Acta Metallurgica, 1985,33(4):667-676.

[25] Zhang J, Tan C, Ren Y, et al. Adiabatic shear fracture in Ti-6Al-4V alloy[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2011,21(11):2396-2401.

(責任編輯 王小飛)

Shear behavior of TC4 alloy under dynamic loading

Su Guan-long, Gong Xu, Li Yu-long, Guo Ya-zhou, Suo Tao

(DepartmentofAeronauticsStructureEngineering,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710072,Shaanxi,China)

Two types (single-edged and double-edged) of TC4 (Ti-6Al-4V) alloy samples are tested by using the split-Hopkinson bar system under the strain rate of 104s-1. By using ultra-high speed photography, the initialization and propagation of adiabatic shear band (ASB) are obtained with sufficient resolution. The relationship of the mechanical properties is built. The width of the shear band is observed to be 5-12 μm by using metallurgical microscope and scanning electron microscopy (SEM). Shear dimples and smooth regions are observed in the fracture surfaces as well. However, no obvious phase-transfer are detected. The double-edged samples have shown a better performance because of the relatively negligible bending during experimenting. The critical shear strain at which ASB appears is between 78%-88% and the propagation speed is estimated to be in the range of 460-1 250 m/s. It is also found that when strain rate rises, the shear bands propagate faster. Moreover, the propagation speed increases as the loading process proceeds and the speed is linearly proportional with the nominal strain rate.

solid mechanics; adiabatic shear band; critical shear strain; propagation speed; ultra-high speed photography; micro morphology; TC4

10.11883/1001-1455(2015)04-0527-09

2013-12-04；

2014-06-25

西北工業大學研究生創業種子基金項目(Z2014001)

蘇冠龍(1989- )，男，碩士研究生； 通訊作者： 李玉龍，liyulong@nwpu.edu.cn。

O346 國標學科代碼： 13015

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