TC4 ELI鈦合金包申格效應試驗研究

于翔宇，張博文

（中國船舶科學研究中心 深海載人裝備國家重點實驗室，江蘇 無錫 214082）

0 引 言

包申格效應是指金屬材料經過預先加載產生一定塑性變形后，卸載再反向加載，規定殘余應力降低的現象。這種現象在金屬材料中普遍存在，在實際工程應用中，包申格效應會使材料的反向屈服強度降低，在承受循環載荷的結構中影響材料的力學性能及使用壽命。包申格效應的機理和規律的研究已成為塑性變形理論研究中較為重要的組成部分，對于材料的發展和使用有重要意義。鈦及鈦合金因比強度高、耐腐蝕性能好等優點逐漸應用于海洋工程、航天、航空及壓力容器等領域[1]，其包申格效應的程度和表征及對結構件服役性能的影響需要進一步研究。

對于金屬材料的包申格效應，目前有許多學者進行了模型方面的研究。H ZIEGLER[2]提出了一種隨動硬化模型描述彈塑性材料在單向應力應變下的曲線，但這種線性動態硬化模型只能粗略地描述包申格效應。L GENG等[3]提出了非線性工作硬化模型，引入了一個耦合面描述循環加載中的永久軟化現象。材料根據晶體排列可以分為單晶體和多晶體，根據晶體結構不同，又可分為面心立方、體心立方和密排六方。K HAN等[4]對鋼在不同應變速率下的包申格效應進行了研究，認為在較低的應變速率下，新位錯的增值充分導致位錯密度變大，繼而使位錯的活動性增大。N CHAWLA等[5]對Fe-Mo合金進行試驗得出的應力應變滯后曲線表明，包申格應力和應變的大小與初始加載方向有較大的關系，施加壓-拉載荷測得的應力/應變值是施加拉-壓載荷情況的2倍。目前，隨著鈦合金的大規模應用，相關的工藝參數研究和熱鍛造工藝研究已經開展[6,7]，其包申格效應的表現和影響尚未進行研究，已有模型和規律能否應用于鈦合金成形及結構體建模中尚需系統研究。

以下對TC4 ELI鈦合金板料進行了循環加載試驗，獲得了TC4 ELI材料在多個預應變量水平下的循環加載應力-應變曲線，對其包申格效應進行了定量研究，分析了包申格應變、包申格應力參數和包申格能量參數的變化趨勢，為TC4 ELI在工程中的應用提供了參考。

1 材料及試驗

TC4 ELI是一種α+β型鈦合金，約含有6%的鋁和4%的釩，占有50%的鈦合金用量。試驗所使用的TC4 ELI是退火狀態，其主要的力學性能分別為：彈性模量110 GPa，密度4.44 g/mm3，泊松比0.34，屈服強度770 MPa，抗拉強度936 MPa，延伸率14%，斷面收縮率30%。

循環加載的試樣如圖1所示，試樣厚度為5 mm，長度均沿軋制方向切割。

圖1 循環加載試驗試樣

循環加載試驗在INSTRON 8801試驗機上進行，動態載荷幅度為±100 kN。試樣標定長度為14 mm，其位移由夾持在其上的引伸計精確測得，如圖2所示。加載速度設置為0.15 mm/s。為了防止出現彎曲，應變幅度分別設置為2%、3%和4%。以2%應變幅度為例，試驗加載過程先由初始狀態單向拉伸至1%應變水平，然后卸載至應力為0，繼續反向加載（即壓縮）至-1%的應變水平，然后卸載至應力為0，繼續正向加載（即拉伸）至1%的應變水平，如此重復4個周期，由試驗機配套的軟件獲取整個過程的應力-應變曲線。

圖2 循環加載試驗裝置

2 試驗結果

對3件試樣分別進行2%、3%和4%應變幅度的循環加載后，通過引伸計獲得的數據經換算后得到真實應力-真實應變曲線如圖3所示。

圖3 循環加載試驗獲得應力應變曲線

對于TC4 ELI鈦合金，應力增加的幅度隨應變循環次數的增加而有所增大，并逐漸達到飽和，且循環加載導致的材料硬化與循環加載應變幅度有關，應變幅度越大，材料硬化程度越小。

描述材料包申格效應大小的常見指標有包申格應變β，是指在一定應力條件下正向和反向2種加載方式下的應力-應變曲線之間的應變差。還有包申格應力參數（Bauchinger strain parameter,BSP）和包申格能量參數（Bauchinger energy parameter,BEP），表達式分別如式（1）和（2）所示。

其中，σf為初始正向流變應力，MPa；σr為反向屈服應力，MPa；σy為初始屈服應力，MPa。

對應變幅度為2%、3%和4%的循環加載試驗數據分析后，獲得的β、BSP和BEP參數結果如圖4所示，其中β的應力條件以850 MPa為計算基準，σy以770 MPa為計算基準。

由圖4可以看到，隨預應變量的增加，β和BSP均增大，且變化趨勢與應變幅度有近似線性關系。BEP則變化不大，維持在4.61～4.81，變化幅度與β和BSP相比較為穩定。反向屈服應力σr隨應變幅度的增大而明顯降低（圖4（a）中負號表示反向），即應變幅度越大，包申格效應越明顯。

圖4 TC4 ELI循環加載包申格效應表征參數對比

3 結束語

以TC4 ELI鈦合金為研究對象進行了應變幅度為2%、3%和4%的循環加載試驗，對TC4 ELI的包申格現象進行了試驗觀察研究。試驗結果表明，TC4 ELI鈦合金的包申格效應隨預應變的增加而增大，反向屈服強度隨預應變的增加而顯著減小，包申格應變及BSP與預應變量有近似的線性增加關系，而BEP則隨預應變量變化不大。