純釩的動態壓縮力學性能實驗研究

謝若澤，胡文軍，黃西成，張方舉

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621900）

純釩的動態壓縮力學性能實驗研究

謝若澤，胡文軍，黃西成，張方舉

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621900）

為研究純釩在常溫下的動態壓縮力學性能，采用霍普金森壓桿（SHPB）對其進行應變率效應實驗并采用應變凍結法對其進行應變累積實驗，給出純釩在常溫下的動態壓縮應力應變曲線，研究應變歷史對材料性能的影響，并與電弧熔煉釩合金進行比較，結果表明：在應變率為4430s-1時，純釩的流變應力為564MPa，比應變率810s-1時的437MPa提高29%，純釩具有明顯的應變率效應；應變歷史雖然對純釩有影響，但其影響并不強烈；電弧熔煉釩合金的強度遠高于純釩。

純釩；動態壓縮；應變率；應變歷史

0　引　言

釩及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］。國內外對釩及釩合金已進行了多方面的研究工作，其中大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，釩合金的高溫氧化問題，釩合金的氫脆、氦脆性能，中子輻照、電子輻照、離子輻照等。Smith、諶繼明、周康寧等［1-8］在這方面進行了大量研究。在力學性能方面，Aglan等［9］對釩合金的疲勞破壞行為進行了研究，Rowcliffe［10］研究了應變率對V-4Cr-4Ti拉伸性能的影響，對于釩及釩合金的動態力學性能則研究報道較少，謝若澤等［11-12］進行了V-5Cr-5Ti常溫動態壓縮力學性能試驗研究，并研究了電弧熔煉V-5Cr-5Ti的高溫力學性能。

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的考驗，研究釩及釩合金的動態力學性能及變形模式，對產品設計以及產品安全有效具有很大意義。本文以純釩為研究對象，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實驗和應變累積實驗，給出了純釩的動態壓縮應力應變曲線，研究了應變歷史對材料性能的影響，并與電弧熔煉釩合金進行了比較，結果可供產品設計參考。

1　實　驗

1.1實驗設備

本實驗在霍普金森壓桿上進行。實驗選用的波導桿均為18Ni-350馬氏體時效鋼桿，輸入桿長1 260 mm、直徑25 mm，輸出桿長1 260 mm、直徑25 mm。加載設備為空氣炮，子彈長300mm、直徑為25mm，材料與波導桿相同。

1.2應變凍結法

在實驗中，部分試件的變形將采用應變凍結法加以限制，以獲得指定的應變值。所謂應變凍結法，即用一個高度小于試件原始長度的鋼制套環（限位環），套在試件的外面，沖擊加載使試件產生變形，當試件長度與套環高度相同時，大部分加載由套環承受，試件不再產生大的變形，從而限制試件的變形，即應變凍結，如圖1所示。限位環材料通常選用強度較高的金屬。

圖1　應變凍結法示意圖

1.3數據采集和處理

子彈的撞擊速度由激光測速系統測定。在輸入桿、輸出桿的中間位置各對稱粘貼兩片應變片，其敏感柵絲方向與桿的軸線方向一致，實驗應變信號由各應變片分別接受，通過動態應變儀進行信號放大后由示波器記錄。應變儀為揚州科動生產的KD6009型應變放大器，其頻帶寬為10 Hz～1 000 kHz；采用TDS540D數字存儲示波器記錄波形，其頻帶寬為DC～500MHz，系統頻響可以滿足SHPB的測試要求。

應變片電阻為120Ω，靈敏系數為2.17；應變放大器的增益為100倍，橋壓為4V，根據應變放大器提供的系數計算方法可得系統的標定值為1 V對應4600με。

1.4實驗設計

根據霍普金森壓桿的具體情況，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，其外徑為22mm，內徑為13mm，高度分別為3.6，3.8，4.2，4.6mm等。

設計了兩種類型的實驗。首先，利用7～30m/s的不同彈速，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。

2　實驗結果與討論

2.1試件變形情況

圖2為實驗前后試件的對比情況。從圖中可以看出，實驗前試件為圓柱形，實驗后，試件除在長度方向被壓縮外，在直徑方向出現了不同程度的擴展，試件表現出明顯的變形不均勻性，體現了試件材料的各向異性，其原因需進一步采用細觀方法從材料細觀組織結構角度進行研究。

圖2　實驗前后試件對比圖

2.2應變率效應

利用7～30 m/s的不同彈速，測試了材料在不同應變率范圍內的動態壓縮力學性能。根據一維應力波理論，對實驗所得的入射波、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，再利用式（1）和式（2）計算得到試件的真實應力σ和真實應變ε，從而獲得材料的應力～應變～應變率關系：

式中：εs——工程應變，以壓為正；

ε——真應變，以壓為正；

σs——工程應力；

σ——真應力。

實驗得到了純釩在102～103s-1應變率范圍的動態壓縮應力-應變關系。表1給出了各實驗的相關參數和實驗結果，其中流變應力是指試件發生5%真應變時所對應的真實應力。

各個應變率下的動態壓縮應力-應變曲線如圖3所示。由圖3和表1可見，純釩具有明顯的應變率效應，在應變率為810s-1時，材料的流變應力為437MPa；在應變率為1720s-1時，材料的流變應力為465MPa；在應變率為4430s-1時，材料的流變應力為564MPa，比應變率810s-1時提高了29%。

表1　應變率效應各實驗相關參數和結果

圖3　純釩的動態壓縮應力-應變曲線

2.3應變累積實驗

為了解應變歷史對材料性能的影響，進行了應變累積實驗，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。采用應變凍結法控制應變，加載速度先低后高或者先高后低，從而形成不同的應變加載歷史。表2為各試件的實驗參數和結果。

表2　應變累積實驗相關參數和結果1）

20號試件首先在0.10 MPa氣壓、4.60 mm限位環的情況下進行第1次加載，然后在0.25MPa氣壓、3.80mm限位環的情況下進行第2次加載，最后在0.50MPa氣壓、無限位環的情況下進行第3次加載。21號試件首先在0.50 MPa氣壓、4.20 mm限位環的情況下進行第1次加載，然后在0.25MPa氣壓、3.60 mm限位環的情況下進行第2次加載，第3次加載則在0.10 MPa氣壓、無限位環的情況下進行，最后在0.40MPa氣壓、無限位環的情況下進行第4次加載。

圖4為20號試件多次加載的應力-應變曲線圖，其中應變率為3220s-1的曲線為8號試件單次加載所得到的應力應變關系?？梢钥吹?，在多次加載實驗中，隨著應變率的提高，應力應變曲線逐步升高，流動應力逐步變大，但3次加載的曲線均未超過應變率為3220s-1的曲線，基本沿著該曲線發展而未大幅超出，多次加載的應變累積對材料性能的影響并不強烈。

圖4　20號試件多次加載應力-應變曲線

圖5為21號試件多次加載的應力-應變曲線圖，其中第3次加載所采集的數據不理想，圖中沒有給出。圖中應變率為3220s-1的曲線為8號試件單次加載所得到的應力應變關系，應變率為2180s-1的曲線為4號試件單次加載所得到的應力應變關系。圖中第2次加載應變率為1970s-1，曲線卻高于應變率為2180s-1的單次加載，可見加載歷史對材料依然產生了影響，但其變化并不劇烈，幾次加載所獲得的曲線基本沿著3220s-1單次加載的曲線發展。

圖5　21號試件多次加載應力-應變曲線

3　與電弧熔煉釩合金的比較

謝若澤等［11］前期已對電弧熔煉釩合金V-5Cr-5Ti的常溫動態力學性能進行了研究，這里對兩種材料的動態力學性能作一簡單比較。

首先比較兩種材料的變形情況。兩次實驗設計的原始試件形狀和尺寸完全相同，實驗后兩種材料的試件形貌如圖6所示。從圖中可以看出，電弧熔煉釩合金在徑向產生的擴展比較均勻，而純釩在直徑方向出現了不同程度的擴展，試件截面不再是一個圓形，表現出明顯的變形不均勻性，體現了試件材料的各向異性。

圖6　電弧熔煉釩合金和純釩實驗后的變形情況

再來比較兩種材料的強度和應變率效應。圖7為兩種材料的流變應力-應變率關系曲線，圖8為兩種材料在應變率為3×103量級時的應力-應變關系。從圖中可以看到，電弧熔煉釩合金的強度遠高于純釩，相同應變率下電弧熔煉釩合金的流變應力比純釩約提高50%。另一方面，隨著應變率的增大，電弧熔煉釩合金的流變應力比純釩提高得更快，也即電弧熔煉釩合金的應變率效應更強。

圖7　電弧熔煉釩合金和純釩的流變應力-應變率關系曲線

圖8　電弧熔煉釩合金和純釩的應力-應變關系

圖9為電弧熔煉釩合金3次加載與單次加載的應力-應變曲線對比圖［11］。圖中顯示，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其應力-應變曲線產生的影響較大。而圖4和圖5顯示，加載歷史對純釩雖然產生了影響，但其變化并不劇烈，多次加載所獲得的曲線基本沿著單次加載的曲線發展?？梢姡瑑烧呦噍^，應變歷史對電弧熔煉釩合金的應力-應變曲線產生的影響比對純釩的影響更大。

圖9　電弧熔煉釩合金多次加載與單次加載應力-應變曲線對比

4　結束語

以純釩為研究對象，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實驗和應變累積實驗，給出了純釩的動態壓縮應力應變曲線，研究了應變歷史對材料性能的影響，并與電弧熔煉釩合金的動態力學性能進行了比較，得到以下結論：

1）純釩試件實驗后除在長度方向被壓縮外，在直徑方向出現了不同程度的擴展，試件表現出明顯的變形不均勻性，體現了試件材料的各向異性。

2）純釩具有明顯的應變率效應。在應變率為810s-1時，材料的流變應力為437 MPa；在應變率為4 430 s-1時，材料的流變應力為564 MPa，比應變率810s-1時提高了29%。

3）加載歷史對純釩雖然產生了影響，但其變化并不劇烈，多次加載所獲得的曲線基本沿著單次加載的曲線發展。

4）純釩表現出各向異性，而電弧熔煉釩合金為各向同性；電弧熔煉釩合金的強度遠高于純釩，相同應變率下電弧熔煉釩合金的流變應力比純釩約提高50%；電弧熔煉釩合金的應變率效應更強；應變歷史對電弧熔煉釩合金的應力-應變曲線產生的影響比對純釩的影響更大。

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［7］周康寧，張崇宏，崔舜，等.釩合金的電子輻照損傷研究［J］.稀有金屬，2015，39（9）：775-781.

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［11］謝若澤，胡文軍，陳成軍，等.V-5Cr-5Ti常溫動態壓縮力學性能試驗研究［J］.爆炸與沖擊，2010，30（6）：641-646.

［12］XIE R Z，HU W J，HE P，et al.Experimental study on dynamic compressive mechanical properties of v-5cr-5ti at high temperature［C］∥ICEM15，Experimental Mechanics：NewTrendsandPerspectivesPorto/Portugal，2012：627-628.

（編輯：徐柳）

Experimental study on dynamic compressive mechanical properties of pure vanadium

XIE Ruoze，HU Wenjun，HUANG Xicheng，ZHANG Fangju
（Institute of Systems Engineering，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，China）

Strain rate effect tests and cumulated strain tests of pure vanadium by means of the Split Hopkinson Pressure Bar（SHPB）were carried out at room temperature.The effects of strain rate and strain cumulating on the dynamic compressive mechanical properties of pure vanadium werestudiedandcomparedwiththatofthevanadiumalloysbyarcmeltingmethod.The experimental results show that the flow stress of pure vanadium is 564MPa when the strain rate is 4 430 s-1，which is 29%higher than 437Mpa when the strain rate is 810 s-1，the dynamic properties of pure vanadium exhibit obvious sensitivity to the strain rates，the strain history affects the dynamicpropertiesofpurevanadium，buttheinfluenceisconstraiend，thestrengthofthe vanadium alloys by arc melting method is higher than the pure vanadium.

pure vanadium；dynamic compression；strain rate；strain history

A

1674-5124（2016）10-0040-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.10.008

2016-04-28；

2016-06-01

國家自然科學基金（11272300，11472257）

謝若澤（1970-），男，湖北利川市人，研究員，研究領域為沖擊動力學。