TiNi合金圓薄板的橫向沖擊特性實驗*

崔世堂,唐志平,鄭 航

(中國科學技術大學中國科學院材料力學行為和設計重點實驗室，安徽 合肥 230031)

形狀記憶合金作為一種新型智能材料，具有形狀記憶功能以及獨特的偽彈性特性。處于偽彈性狀態(tài)的TiNi合金，其相變滯回環(huán)可以吸收能量，且沒有殘余變形，在工程結構抗震防護、沖擊吸能方面顯示了潛在的優(yōu)勢，已在復合材料抗沖擊領域得到較廣泛應用。J.S.N.Paine等[1]發(fā)現，盡管形狀記憶合金纖維的體積分數僅2.8%,卻能極大地提高復合材料梁的抗沖擊破壞能力和吸能能力。V.Birman等[2]研究表明，低速沖擊下含形狀記憶合金纖維的碳/環(huán)氧層合板的撓度可降低1/3左右。對于TiNi形狀記憶合金結構件在沖擊條件下的動態(tài)力學行為的研究，十分有限。唐志平等[3]和張興華等[4-5]對處于偽彈性狀態(tài)的TiNi合金懸臂梁進行了沖擊實驗研究，發(fā)現和普通彈塑性梁迥然不同的運動、變形和吸能特性，并提出“相變鉸”的概念。吳會民等[6]和黃赫等[7]對TiNi合金固支梁進行了沖擊實驗，指出由于軸力的作用相變鉸成為拉伸側的單邊鉸，具有和塑性鉸不同的特性。唐志平等[8]研究了TiNi合金圓柱薄殼的結構沖擊響應和屈曲模態(tài)。

本文中，對偽彈性狀態(tài)TiNi形狀記憶合金圓薄板進行沖擊實驗，并和彈塑性鋼板比較，了解TiNi圓薄板的沖擊響應特性以及復雜應力狀態(tài)下相變區(qū)域的傳播規(guī)律。

1 實 驗

1.1 TiNi合金材料性能

TiNi合金板成分為w(Ti)=49.1%,w(Ni)=50.9%，室溫下處于偽彈性狀態(tài)。用MTS809試驗機測得該材料室溫下的拉伸力學參數如下(材料性能測定所用試件與下文實驗所用試件取自同一塊TiNi合金板)：彈性模量為62 GPa，密度為6 450 kg/m3，泊松比為0.3，相變起始應力和完成應力分比為465和545 MPa；逆相變的起始應力和完成應力分別為248和160 MPa，相變應變?yōu)?.04。

1.2 實驗裝置

實驗在中國科學技術大學經過改造的?37 mm分離式Hopkinson壓桿上進行，實驗裝置如圖1所示。TiNi合金板試樣尺寸為220 mm×220 mm×2 mm，用12個M10預應力螺栓把試件固定在兩塊鋼板(鋼板厚度10 mm)之間，鋼板中間開有?180 mm的圓孔(即試件的實際實驗尺寸)并固定在支座上。子彈材料為45鋼，經過熱處理以提高表面硬度。子彈的直徑為14 mm，長度分別為200和100 mm，頭部呈半球形，確保撞擊時近似滿足點接觸的條件。用高速攝像機CCD1(Phantom V7.1)拍攝子彈撞擊過程，拍攝頻率為10 000 s-1，觀察子彈和板的相互作用過程。采用陰影云紋法測量加載過程中板的全場撓度分布，光柵置于板前方10 mm處，用高速攝像機CCD2(Phantom V12.1)記錄云紋的變化，拍攝頻率為50 000 s-1。為了增加云紋圖像的對比度，試件表面噴涂亞光白漆，光源采用脈沖氙燈。第N級條紋處的撓度近似計算公式為：

(1)

式中：參考柵節(jié)距P=0.2 mm，光源與相機之間的距離D=36 mm，光柵到光源的距離L=58 cm。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Experiment apparatus sketch

板的兩側共粘貼11個應變片(黃巖測試儀器廠，BX120-1AA型，敏感柵尺寸1mm×1mm，阻值(119.7±0.1) Ω，靈敏度系數2.08(1±1%))。應變片A代表自由側，應變片B代表加載側。下標第1個數字代表應變片所在的位置，位置1～4距離板中心的距離分別為5、30、55和85 mm，第2個數字1和2分別代表徑向和環(huán)向，應變片A0粘貼在A側板中心，如圖2所示。

圖2 應變片位置示意圖Fig.2 Sketch of strain gauge location

2 實驗結果

共進行了6次實驗，主要的實驗結果見表1。l為子彈長度，v1和v2分別為子彈撞擊前的瞬間速度和撞擊后的回跳速度，由CCD1拍攝的圖像判讀。wm為板中心最大撓度，通過處理CCD2上拍攝的云紋圖像得到。wre為剩余撓度擾度。ed為耗散能，是撞擊前后子彈損失的動能。實驗后TiNi試件觀測不到殘余撓度，而回收的A3鋼試件測量到明顯的殘余撓度。圖3是實驗1中典型時刻的云紋記錄圖像，圖4是根據云紋圖像得出不同時刻沿徑向的撓度曲線。

表1 主要實驗結果Table 1 Experimental results

圖3 實驗1云紋圖Fig.3 The moire patterns of experiment 1

圖4 撓度曲線Fig.4 The deflection curves

2.1 TiNi合金板的橫向沖擊行為

子彈以一定速度和板發(fā)生碰撞后，將向板內傳入一道彎曲波和一道剪切波，使板發(fā)生運動和變形，同時向子彈內傳入一道壓縮波，使子彈的運動速度減小。由于剪切波的幅值比較小，板的變形主要由彎曲波引起。子彈和板的響應以及碰撞點的接觸狀態(tài)，取決于波在子彈和板內的傳播和作用。

圖5是實驗1測得的5 ms內的應變波形，仔細觀察該記錄波形，可見如下特征：(1)AB兩側1、2、3和4處對稱粘貼的應變波形呈現對稱結構，只是應變幅值上稍有差別，表明主要呈現動態(tài)彎曲響應。(2)所有波形均疊加周期約77 μs的高頻震蕩，該周期和波在子彈中往返一次的時間基本相同，說明這種高頻振蕩是由于波在子彈中傳播所致。(3)從空間分布看，2、3和4處的應變信號比較小(小于0.002)，遠低于相變臨界應變0.007 5，可以推測整個沖擊過程中，離板中心30 mm以外的區(qū)域都處于彈性狀態(tài)，并沒有發(fā)生相變。中心A0處最大應變信號遠超過相變臨界應變，A12信號則略高于相變臨界應變，說明相變區(qū)分布可能略大于5 mm以內。(4)從時域過程看，盡管板內波系復雜，按A0處的應變信號可以把沖擊過程板的動態(tài)結構響應劃分為3個階段：階段1(0～1.24 ms)為加載段，A0應變信號呈現總體上升態(tài)勢，階段2(1.24～2.36 ms)為卸載段,A0應變信號呈現總體下降態(tài)勢，其中1.80 ms后應變信號的波動增加由板和子彈再次撞擊產生，階段3(2.36 ms后)為自由振動段，A0的應變信號呈現周期性的變化。

圖5 實驗1中測得的應變波形Fig.5 Strain wave profiles of experiment 1

我們進一步分析加載段的響應，A0在約1.24 ms時徑向應變達到最大值為0.022 8，A側1處應變最大值僅為0.006 7，時間略有延遲?？梢钥闯?，彎曲波自中心向外傳播，由于二維效應沿徑向迅速衰減。由于沖擊過程中板內波系比較復雜且相互作用，彎曲波自中心向外傳播的過程中，很難保證不受干擾，實驗中2、3和4處的應變信號則是波系綜合作用的結果。

圖6是0.2 ms內的應變波形，可見每個應變信號頭部均出現正負交替變化，而且幅值逐漸增大，周期逐漸變長，這正反映了彎曲波的彌散特性。利用實驗測得的材料參數，可以計算TiNi合金彈性彎曲波頭波速為1 783 m/s[9]。根據圖6中A0與A21、A21與A31、A31與A41的起跳時間，可以得到3個區(qū)段內彎曲波速c02、c23和c34分別為1 739、1 732和1 698 m/s，似乎有下降趨勢，平均為1 723 m/s，略小于理論波速，基本相符。彎曲波從碰撞中心至板的邊界往返一次約100 μs，一般往返3～5次后(約0.3～0.5 ms，對應于圖5(a)中的點S)，可以認為試件從波動響應為主過渡到以動態(tài)結構響應為主，即點S把板的響應時域劃分為波動響應階段和結構響應階段。有趣的是，緊跟點S后波形有一個明顯跌落，意味著子彈和靶板有短暫分離。圖7是高速CCD1記錄得到的子彈位移和速度曲線，相應時刻(0.5～0.8 ms)子彈速度變化很小，也說明兩者有短暫脫離。

圖6 局部應變波形Fig.6 Local strain wave profiles

圖7 實驗1子彈的位移和速度Fig.7 Displacement and velocity of bullet in expriment 1

圖8 等效應變Fig.8 Equivalent strain

由于板內材料處于復雜應力狀態(tài)，僅憑徑向或環(huán)向應變無法判斷材料是否發(fā)生相變，我們采用等效應變觀察[10-11]。圖8是A0以及AB兩側1處3 ms內的等效應變圖，可以看出：(1)在0.260 ms(點a)時，A0處的等效應變首次超過相變臨界應變，表明A側中心表層材料開始發(fā)生奧氏體至馬氏體的轉變。由于子彈和板短暫脫離，0.5 ms左右應變下降，到0.854 ms時(點b)，A0處的等效應變值再次超過0.007 5，表明中心材料重新進入相變狀態(tài)。隨后板在子彈推動下，A側A0和1處的等效應變均呈上升趨勢，表明相邊界自中心向外傳播。在1.256 ms時，A側1處的等效應變最大值為0.007 9，超過相變臨界應變，說明A側相變區(qū)已經傳播到距中心5 mm處，由此可以初略的算出撞擊下薄板的相變區(qū)(相邊界)平均傳播速度為約12.4 m/s。(2)B側1處等效應變最大值僅為0.005，表明還未發(fā)生相變，兩側相變區(qū)呈現非對稱性，拉伸側大于壓縮側，這是由于材料的拉壓不對稱性以及局部膜力導致的。(3)A0處的等效應變最大值為0.018(點d)，而1處僅為0.007 9，可見由于板的二維效應幅值有很大的衰減。(4)1.092 ms(點c)時，A0處的等效應變達到0.015，超過2倍等效相變臨界應變，表明在A側中心處形成了相變鉸[8]，相變鉸區(qū)將承受主要變形和吸能作用。

卸載段持續(xù)的時間為約1.10 ms，和加載時間基本持平。卸載過程中板推動子彈向回運動，子彈有一個反向加速的過程。由圖8，A0和A、B兩側1處的應變減小，相變區(qū)收縮。1.325 ms(點e)時，A0處的等效應變開始低于0.015，A側中心區(qū)的相變鉸消失，相變鉸存在的時間為約0.24 ms。1.650 ms時，A0處的等效應變小于等效逆相變完成應變0.002 6，表明逆相變完成，板處于純奧氏體相。2.34 ms后，卸載完成，整個板進入自由振動狀態(tài)。

2.2 鋼板的橫向沖擊行為

鋼板試件上貼有8個應變片，1、2和3處離板中心的距離分別為5、45和85 mm,應變片命名規(guī)則以及測量方法和TiNi合金板相同。

圖9是實驗5記錄的應變波形，比TiNi板波形平滑，A、B兩側相同位置處的應變波形基本對稱，A側幅值稍大，兩側環(huán)向應變明顯大于徑向應變。兩側2和3處的徑向應變比較小(小于0.002),可推測2和3處仍處于彈性狀態(tài)。子彈沖擊鋼板的動態(tài)響應過程也可以分為3個階段，加載段(0～0.894 ms)、卸載段(0.894～1.865 ms)和自由振動段(1.865 ms后)，如圖10所示。

圖9 實驗5中測到的應變波形Fig.9 Strain wave profiles of expriment 5

圖10 等效應變Fig.10 Equivalent strain

圖10給出了鋼板A、B兩側1處3 ms內等效應變隨時間變化曲線，可以看出，從約0.5 ms開始，A側的應變開始比B側的大，這主要是由于該處的膜力較大所致。0.894 ms時，A、B兩側等效應變達到最大值分別為0.005 7和0.004 6，遠大于臨界塑性等效應變，可推測加載過程中板中心形成塑性區(qū)的半徑超過5 mm，塑性區(qū)一旦形成，它將承擔板中主要的變形和能量的吸收。在0.5 ms左右，1處應變突然下降，是由于子彈和板有短暫脫離造成的。

卸載階段持續(xù)時間為0.971 ms，比加載時間略長。到1.865 ms時，卸載過程結束，此時A、B兩側1處的殘余等效應變分別為0.003 4和0.002 6，形成永久塑性區(qū)，可推測塑性區(qū)的半徑不小于5 mm。1.865 ms后，從高速CCD1的圖像可以看出，子彈和板已經完全脫離，板處于自由振動狀態(tài)。回收樣品具有殘余橈度，見表1。

3 結論與討論

對處于偽彈性狀態(tài)TiNi合金圓薄板和圓薄鋼板，在相同約束條件下進行了橫向沖擊實驗，并對比了兩種材料板的動態(tài)響應，結果表明：

(1)沖擊加載條件下，TiNi合金板的早期響應以彎曲波傳播的波動響應為主，彎曲波在板內往復傳播3～5次(約0.5 ms)后，板逐漸過渡到以整體結構響應為主。

(2)相變首先發(fā)生在撞擊點附近的中心區(qū)域并形成相變鉸，相變區(qū)以及相變鉸區(qū)具有明顯的可回復性并承擔了大部分的變形和能量吸收。鋼板中心區(qū)域進入塑性狀態(tài)并形成塑性鉸區(qū)。沖擊完成后TiNi試件沒有殘余變形，而鋼試件明顯存在殘余應變。TiNi合金固支圓薄板的響應特性受其熱彈性馬氏體相變和逆相變支配，與鋼試件的彈塑性行為有根本的不同。

(3)從實驗結果看，鋼試件的吸能效率優(yōu)于TiNi合金試件，這是由于TiNi材料彈性模量比鋼低而相變臨界應力遠大于鋼的屈服應力，使在相同撞擊條件下TiNi合金板中心的最大撓度比鋼板大，TiNi試件相變區(qū)的范圍遠小于鋼試件塑性區(qū)的范圍。

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