TC11 鈦合金動態(tài)熱塑互動行為研究

摘要： 利用分離式霍普金森壓桿對TC11 鈦合金平板帽形試樣進行動態(tài)加載，基于高頻紅外點陣測溫技術捕捉了剪切區(qū)溫升隨加載時間變化的歷程，結合熱傳導理論分析和動態(tài)剪切數(shù)值模擬，分析了動態(tài)剪切過程中剪切區(qū)溫升隨時間和空間的分布規(guī)律。研究結果表明，在動態(tài)剪切加載下，TC11 鈦合金表現(xiàn)出脆性的變形行為，剪切區(qū)最高溫升為430 ℃，且在實驗所覆蓋的加載速率范圍內(nèi)，加載速率對動態(tài)剪切溫升影響不明顯；顯著的溫升主要集中在剪切區(qū)中心附近100 μm 量級區(qū)域內(nèi)，溫升區(qū)具有高度局部化的特征，且剪切區(qū)維持較高溫度所持續(xù)的時間在10 μs 量級。理論研究和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，動態(tài)加載下剪切區(qū)內(nèi)最高溫度可達751 ℃，剪切區(qū)溫度時空分布規(guī)律與實驗結果保持一致。實驗和數(shù)值模擬結果均顯示，剪切區(qū)最高溫升發(fā)生在材料斷裂時刻，表明剪切區(qū)顯著溫升應來源于剪切變形造成的應變高度集中發(fā)展。

關鍵詞： 動態(tài)剪切；鈦合金；溫升；熱傳導；分離式霍普金森壓桿

中圖分類號： O346 國標學科代碼： 13015 文獻標志碼： A

TC11 為一種典型的α+β 型鈦合金，其化學成分為Ti-Al（5.8～7.0）-Mo（2.8～3.8）-Zr（0.8～2.0）-Si（0.2～0. 35）。

該合金顯現(xiàn)出優(yōu)良的高溫性能、低密度、高的室溫強度以及高的損傷容限等，這些優(yōu)異的性能促使TC11鈦合金被廣泛應用于航空航天、安全與防護以及生物等領域[1-5]。在實際的工程應用中，材料可能會經(jīng)歷諸如高速撞擊等動態(tài)加載環(huán)境。局部化剪切變形是鈦合金在動態(tài)加載下的一種典型變形形式，局部剪切變形包括剪切帶的起始、擴展、演化成剪切裂紋以及最終斷裂等階段。在沖擊加載下，鈦合金中的塑性變形往往高度集中在一條或多條帶狀區(qū)域內(nèi)，而材料在帶狀區(qū)域外的塑性變形很少甚至可以忽略不計。一方面，剪切帶內(nèi)容納了大量的塑性變形，由塑性功轉化產(chǎn)生大量的熱量；另一方面，剪切帶擴展的速度非常快，熱量不能及時擴散到周圍的介質中，這兩方面將導致剪切帶內(nèi)產(chǎn)生較高的溫升。已有的研究[6-10]表明，材料在動態(tài)加載下剪切帶的起源與變形過程中材料的溫升相關，此外，TC11 鈦合金作為工程結構材料，過高的動態(tài)剪切溫升可能會對結構的沖擊安全性造成影響。因此，研究沖擊加載下TC11 鈦合金剪切溫升隨時間的變化規(guī)律以及在空間上的分布不僅具有學術價值，還具有重要的工程意義。

溫度升高是材料在沖擊載荷下剪切變形過程中最重要的特點，由于剪切帶具有10 μm 量級的特征空間尺度以及微秒或10 μs 量級的時間尺度，使得剪切帶溫升研究具有極大的挑戰(zhàn)性。在過去的幾十年里，對剪切帶溫升的研究主要集中在高速測溫實驗技術、理論分析和多尺度數(shù)值模擬方面。實驗研究方面，大多數(shù)的動態(tài)剪切溫升實驗研究都是針對Ti-6Al-4V （TC4） 這種最廣泛應用的鈦合金開展的[11-14]。Zhou 等[11] 于1996 年對TC4 鈦合金在動態(tài)加載下的絕熱剪切溫升進行了實驗研究，他們利用16 個InSb 紅外探頭組成的直線陣列對沖剪加載下的TC4 鈦合金材料動態(tài)剪切溫升進行了測量，發(fā)現(xiàn)剪切帶內(nèi)所測的最高溫度為450 ℃，并且剪切帶內(nèi)最大溫升隨著撞擊速度的增加近似呈線性增加。Liao 等[12]利用霍普金森扭桿進行了TC4 動態(tài)扭轉實驗，利用InSb 紅外探頭對動態(tài)扭轉中產(chǎn)生的絕熱剪切溫升進行了測量，在剪切應變率為1 400 s?1 時，測得剪切帶內(nèi)的最高溫度為550 ℃。Ranc 等[13] 同樣利用霍普金森扭桿對TC4 材料進行了動態(tài)扭轉實驗，在低溫區(qū)域（0～300 ℃） 采用32 個InSb 紅外探頭組成的直線點陣進行測溫，在高溫區(qū)域（800～1 700 ℃） 采用增強型紅外CCD，發(fā)現(xiàn)剪切帶內(nèi)最高溫度高達1 100 ℃。受測試方法、測試精度和加載方式的影響，TC4 鈦合金動態(tài)剪切溫升的測量結果存在很大的分散性。數(shù)值模擬方面，Zhou 等[11] 用有限元方法研究了沖擊載荷下TC4 預制缺口平板剪切帶的產(chǎn)生和擴展，得到了一定沖擊速度下不同時刻沿剪切帶方向的溫度分布曲線。Chichili 等[15] 對有缺口的不銹鋼圓筒試樣在動態(tài)復合載荷下的剪切帶行為進行了數(shù)值模擬，得到了試樣中面的溫度分布云圖。李繼承等[16] 對沖擊載荷下921A 鋼純剪切帽狀試件的SHPB（split Hopkinson pressure bar）進行了數(shù)值模擬，研究了試件的絕熱剪切行為，分析了試件內(nèi)絕熱剪切帶的產(chǎn)生、發(fā)展以及相應試件溫度場分布。相比于TC4，TC11 鈦合金具有更高的強度和更低的拉伸斷裂應變，在動態(tài)加載下其剪切變形溫升以及溫度隨時間和空間的變化規(guī)律仍需進一步研究。

本文中利用分離式霍普金森壓桿加載裝置和高頻紅外點陣測溫裝置對TC11 鈦合金的動態(tài)剪切溫升進行實驗研究，進一步結合理論分析和數(shù)值模擬方法，獲得TC11 鈦合金在動態(tài)加載下剪切帶內(nèi)的最高溫度以及溫度在時間和空間上的分布規(guī)律。

1 實 驗

1.1 實驗設計

為實現(xiàn)動態(tài)加載過程中剪切帶溫升的測量，對傳統(tǒng)的帽形試樣構型進行改進，設計了平板剪切試樣。此外，為防止平板試樣在壓縮載荷作用下發(fā)生面內(nèi)失穩(wěn)，設計了試樣夾持裝置。試樣和夾持裝置的照片如圖1 所示，所有測試試樣的厚度均為2 mm，剪切區(qū)高度1.0 mm，寬度0.2 mm。

動態(tài)剪切實驗采用霍普金森壓桿來完成，溫度測量采用高頻紅外點陣測溫裝置來完成，實驗加載和測試裝置的主要構成示意圖如圖2 所示。霍普金森壓桿裝置主要包括：撞擊桿驅動裝置、測速儀、撞擊桿、輸入桿、輸出桿、吸收桿、動態(tài)應變儀、數(shù)據(jù)采集儀等。實驗過程中，平板剪切試樣夾持在輸入桿和輸出桿之間，實驗開始時，由壓縮空氣驅動撞擊桿以一定的速度撞向輸入桿，在輸入桿中產(chǎn)生壓縮應力波，當壓縮應力波到達試樣時，帽形凸起部分向下以一定速度運動，從而對帽形凸起部分與兩邊支撐部分之間的材料形成剪切加載。輸入桿中的壓縮應力波在試樣兩端產(chǎn)生反射和透射，利用應變計、動態(tài)應變儀等裝置對輸入桿上的入射波、反射波和輸出桿上的透射波進行測試。然后依據(jù)一維應力波理論處理測得的數(shù)據(jù)，導出試樣在特定應變率下的剪切載荷-位移曲線。試樣中的剪切載荷和位移分別由下式得到：