TC4材料的力學性能分析

王 藝 諾

(河北大學建筑工程學院，河北 保定 071002)

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TC4材料的力學性能分析

王 藝 諾

(河北大學建筑工程學院，河北 保定 071002)

通過對TC4鈦合金試件在常溫靜態實驗及在25 ℃,100 ℃,150 ℃,200 ℃下霍普金森桿動態壓縮實驗，計算其應變率及應力—應變關系，分析了溫度對TC4材料的動態力學性能的影響，得出了一些有應用價值的結論。

TC4鈦合金，屈服強度，實驗溫度，應變率

0 引言

鈦合金TC4材料的組成為Ti-6Al-4V，屬于(α+β)型鈦合金，其綜合力學機械性能較為良好,強度較大,耐腐蝕性，耐熱性高，韌性和焊接性好，受到廣泛應用。但TC4的塑性剪切抗力和加工硬化性能較低,耐磨性能較差,限制了其在某些領域的應用，為提高鈦合金的表面性能，應對其進行熱氧化處理。因此，研究不同溫度下氧化及氧化時間不同的TC4性能變得至關重要。本文運用分離式霍普金森桿，測試在不同溫度下的試件，同一應變率下的力學行為及動態壓縮性能。

1 實驗設計

本實驗采用分離式霍普金森壓桿裝置，裝置分為支架，炮膛，子彈，入射桿，透射桿，氣泵及數據采集系統，數據由貼在入射桿及透射桿上的應變片采集得到。

子彈，入射桿，透射桿采用18Ni鋼制作而成，子彈長200 mm，直徑為14 mm，入射桿及投射桿長為1 200 mm，直徑為14 mm。試件采用TC4鈦合金制作，高度為5 mm，直徑5 mm。

本實驗是對在25 ℃,100 ℃,150 ℃,200 ℃條件下的TC4鈦合金試件進行309s-1，976s-1，1 311s-1，1 533s-1的動態壓縮實驗，通過實驗數據分析可知應變率以及溫度對TC4鈦合金的影響。

2 實驗原理

該實驗所用設備SHPB的工作原理是：在壓縮空氣炮的驅動下，子彈從槍膛中沖出撞擊入射桿，從而產生入射波εI，入射波在入射桿內傳播至試件時，發生反射與透射，一部分應力波被反射成為反射波εR，另一部分透過試件成為透射波εT，數據由貼在入射桿與透射桿上的應變片采集得到。

本實驗通過運用一維應力波理論，可以分別求得分析霍普金森桿入射桿上的入射波形和透射桿上的透射波形獲得的試件在高應變率加載下工程應力，工程應變和應變率的計算公式，即霍普金森拉桿的一維波試驗原理。

計算公式如下：

式中：E——桿的彈性模量；A——桿的橫截面面積；C0——桿彈性縱波波速；As——試件的橫截面面積；ls——試件長度。

3 實驗結果及分析

為了研究溫度對材料力學性能的影響，對于相同應變率，不同溫度下試件的應力—應變關系進行比較，如圖1所示。

通過數據分析可得，在不同溫度下，100 ℃，150 ℃，200 ℃的應力—應變曲線的趨勢相似，隨著應變的增加，應力不斷增大，當試件達到屈服后，隨著應變的增加，出現應變強化的現象，其應力幾乎不變，趨于穩定；其原因在于當實驗溫度高于室溫時，試件材料開始軟化，材料強度降低。當應變強化效應與溫度軟化效應作用相當時，應力趨于穩定。而25 ℃時，應力依然隨應變的增加而增加，但材料屈服后，隨著應變的增加，試件所受應力還將繼續緩慢增加一段時間，直至趨于穩定。

圖2為應變率為1 311s-1下的屈服應力隨溫度變化的曲線，分析數據可得知，隨著溫度的增加，屈服應力隨溫度的增加先增大后減小，且大概在132 ℃時達到最大值，即屈服應力在25 ℃～132 ℃時隨溫度的增加而增加，在132 ℃～200 ℃時隨溫度的增大而減小。

圖3為應變率為1 311s-1下的屈服應變隨溫度變化的曲線，分析數據可得知，隨著溫度的增加，屈服應變隨溫度的增加先增大后減小最后趨于穩定，且大概在114 ℃時達到最大值，即屈服應變在25 ℃～114 ℃時隨溫度的增加而增加，在114 ℃～200 ℃時隨溫度的增大而減小。

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On dynamic performance of TC4 material

Wang Yinuo

(CollegeofArchitectureandEngineering,HebeiUniversity,Baoding071002,China)

According to Hopkinson dynamic compaction test of TC4 titanium alloy at usual temperature static test, 25 ℃, 100 ℃, 150 ℃ and 200 ℃, calculates its strain rate and stress-strain relationship, analyzes the influence of the temperature on the dynamic performance of TC4 material, and achieves some valuable conclusion.

TC4 titanium alloy, yield strength, test temperature, stress ratio

1009-6825(2017)07-0108-02

2016-12-23

王藝諾(1990- ),女，在讀碩士

TU501

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