TC4在動態(tài)載荷下的剪切行為研究

蘇冠龍，龔 煦，李玉龍，郭亞洲，索 濤

(西北工業(yè)大學(xué)航空結(jié)構(gòu)工程系，陜西 西安 710072)

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TC4在動態(tài)載荷下的剪切行為研究

蘇冠龍，龔 煦，李玉龍，郭亞洲，索 濤

(西北工業(yè)大學(xué)航空結(jié)構(gòu)工程系，陜西 西安 710072)

使用分離式霍布金森壓桿(SHPB)對2種TC4(Ti-6Al-4V)試樣(單邊剪切試樣與雙邊剪切試樣)在應(yīng)變率104s-1下進(jìn)行動態(tài)剪切加載，利用SIM D8高速照相系統(tǒng)捕捉了絕熱剪切帶擴(kuò)展的整個歷程，得到了TC4在拍照時刻的應(yīng)力應(yīng)變曲線；使用金相顯微鏡和SEM掃描電鏡對TC4絕熱剪切帶的微觀形貌進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)絕熱剪切帶寬度為5～12 μm，斷口從韌窩斷裂演變?yōu)榻饫頂嗔?，可觀測到韌窩狀與河流花樣斷口形貌，但是并未看到相變的發(fā)生；對2種試樣就產(chǎn)生絕熱剪切帶的形式與敏感性進(jìn)行了分析，實驗表明雙邊試樣更易產(chǎn)生絕熱剪切帶；通過高速照相系統(tǒng)的標(biāo)定換算，得到TC4絕熱剪切帶產(chǎn)生的臨界剪切應(yīng)變在78%～88%之間。在SHPB動態(tài)加載條件下，TC4絕熱剪切帶的擴(kuò)展速度在460～1 250 m/s之間，且應(yīng)變率越高，剪切帶擴(kuò)展越快，擴(kuò)展平均速度與名義應(yīng)變率近似呈線性關(guān)系；另外，在同一加載速率下，剪切帶并不是勻速擴(kuò)展，其擴(kuò)展速度隨載荷的增加而不斷增加。

固體力學(xué)；絕熱剪切帶；臨界剪切應(yīng)變；擴(kuò)展速度；高速照相；微觀分析；TC4

絕熱剪切失效是一種韌性材料受到動態(tài)沖擊加載時常見的失效模式，其主要特點(diǎn)是在失效時存在一條細(xì)長的窄帶——絕熱剪切帶(adiabatic shear band, ASB)[1]。絕熱剪切帶是一種熱力學(xué)現(xiàn)象，是由于在極高的應(yīng)變率下，局部大塑性畸變產(chǎn)生的熱來不及傳輸出去，導(dǎo)致變形加劇而形成的[2]。這種現(xiàn)象在很多工程領(lǐng)域中都可以觀察到，比如切削、鍛造、鳥撞、彈道沖擊等[3]，它的形成會導(dǎo)致材料的失效斷裂并失去能量傳載能力，所以需要全面的了解絕熱剪切帶的形成與擴(kuò)展，從而避免其危害。

很多學(xué)者研究絕熱剪切帶時采用TC4合金[4-8]，主要原因是TC4密度較低、熱傳導(dǎo)差、易于產(chǎn)生剪切帶等特點(diǎn)，本文中也使用這種材料。TC4對絕熱剪切帶十分敏感，而且在工業(yè)及航空領(lǐng)域中使用廣泛，對它進(jìn)行剪切加載的實驗有很多種，比如薄壁圓管實驗、帽型實驗、圓柱壓縮試驗等[4,9]。動態(tài)加載方法也很多，如爆炸、彈道沖擊、切削等[10-12]。大量學(xué)者對其在不同方面的表現(xiàn)都做了詳盡的研究，比如ASB成因、不同金屬材料對產(chǎn)生ASB的敏感性分析、產(chǎn)生過程中微觀的變化以及溫度的升高等[13-16]。

由于ASB產(chǎn)生擴(kuò)展十分迅速(一般在102μs量級)，實驗中很難把握其出現(xiàn)的時機(jī)，所以在ASB產(chǎn)生擴(kuò)展方面的研究進(jìn)展較慢。近些年來，有關(guān)ASB的研究大多集中于微觀角度研究和數(shù)值模擬上，而對其過程進(jìn)行直接觀測的研究很少。A.Marchand等[17]最早對鋼材進(jìn)行了這方面的研究，對其擴(kuò)展大致進(jìn)行了描述，并對剪切帶的速度進(jìn)行了簡單的估算。隨后不久，J.J.Mason等[18]提出鋼材剪切帶產(chǎn)生時的速度大致為320 m/s。S-C.Liao等[7]用霍普金森扭桿對TC4的薄壁圓管試樣進(jìn)行加載，給出了一組高速照相下的照片，但由于相機(jī)拍攝速率的原因照片并不清晰，沒能給出剪切帶產(chǎn)生到裂紋擴(kuò)展結(jié)束的詳細(xì)過程。M.Zhou等[19-20]對C-300鋼材和TC4兩種材料進(jìn)行了研究，給出了剪切帶和裂紋擴(kuò)展的過程，但由于相機(jī)拍攝的分辨率較低，照片的質(zhì)量不高。由于TC4產(chǎn)生剪切帶極為迅速，剪切帶產(chǎn)生后裂紋隨即擴(kuò)展，較難得到如鋼材一樣較長的剪切帶，故實驗中很難把握，基本沒有對剪切帶直觀、詳細(xì)的描述。

本文中采用分離式霍布金森壓桿(SHPB)[21]對單邊和雙邊TC4(Ti-6Al-4V)試樣進(jìn)行動態(tài)加載，配合超高速照相技術(shù)，探索在宏觀應(yīng)變率為104s-1左右時絕熱剪切帶和裂紋的產(chǎn)生和演化過程，并對TC4剪切帶的擴(kuò)展速度進(jìn)行估算。

1 實驗方法

本文中采用分離式霍布金森壓桿對試樣進(jìn)行動態(tài)加載，加載如圖1(a)所示。第1種試樣的尺寸與M.Zhou等[19]使用的單邊試樣類似，記為TC4-A，如圖1(b)所示。由于第1種試樣產(chǎn)生的剪切帶長度只有5～8 mm左右(與文獻(xiàn)[19]的實驗情況基本一致)，設(shè)計了第2種雙邊試樣，記為TC4-B，如圖1(c)所示，動態(tài)加載時，沿預(yù)制裂紋方向的剪切區(qū)域內(nèi)均產(chǎn)生了剪切帶。這2種試樣在實驗前由400#、800#、1000#、1500#、2000#砂紙依次打磨后拋光，然后用HF、HNO3、H2O的體積比為1∶2∶47的溶液進(jìn)行腐蝕，利用細(xì)砂紙在試樣表面劃出多條均勻平行的“條紋”，最后裝夾在實驗臺上，試驗過程中使用SIM D8超高速照相機(jī)對處理的試樣表面進(jìn)行拍攝。在一般的SHPB加載中，應(yīng)力波在入射桿和反射桿中多次傳播導(dǎo)致重復(fù)加載，這使得估算的試樣變形大于實際真實變形，為更好的了解材料在高應(yīng)變率下的變形機(jī)理，采用經(jīng)過改進(jìn)的、可實現(xiàn)單脈沖加載的SHPB系統(tǒng)[2]，如圖1(a)所示。實驗中通過應(yīng)變片同時觸發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和相機(jī)，可以得到相機(jī)捕捉的圖像在應(yīng)力應(yīng)變曲線上所對應(yīng)的點(diǎn)。

圖1 實驗與試樣Fig.1 Experiment setup and test samples

2 實驗結(jié)果

假設(shè)試樣滿足一維應(yīng)力波理論，通過應(yīng)變片信號可以得到εI(t)(入射應(yīng)變)和εR(t)(反射應(yīng)變)，由式(1)～(4)可以得到如圖2所示的平均剪應(yīng)力-名義應(yīng)變曲線：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：τs為平均剪應(yīng)力，εs為名義應(yīng)變，γ是名義剪應(yīng)變，P為試樣受到的力，As為剪切面積，c0為入射波波速，L為試樣標(biāo)距段長度，δ是剪切位移，x是剪切區(qū)域的寬度

(5)

(6)

表1 實驗結(jié)果

圖2 平均剪應(yīng)力-名義應(yīng)變曲線Fig.2 The average shear stress-strain curve

3 分析與討論

3.1 絕熱剪切帶擴(kuò)展歷程

2種試樣的剪切帶擴(kuò)展歷程基本一致，由于尺寸不同，得到的圖像與信號略有區(qū)別。以TC4-B6號試樣為例，通過高速照片可以觀測到剪切變形的產(chǎn)生擴(kuò)展歷程，如圖3所示(照片與試樣表面呈180°翻轉(zhuǎn))。整個過程可分為以下階段：第1階段試樣均勻變形(圖3(a)～3(b))；第2階段試樣產(chǎn)生非均勻變形(圖3(c))；第3階段非均勻變形不斷嚴(yán)重，絕熱剪切帶產(chǎn)生擴(kuò)展(圖3(d)～3(f))；第4階段發(fā)生斷裂(圖3(g)～3(h))。這一過程與文獻(xiàn)[17]提出的理論一致。

圖3 剪切帶擴(kuò)展高速照片(TC4-B6,時間間隔4 μs)Fig.3 Ultra-high speed photographs of extending shear zone(TC4-B6, time interval: 4 μs)

圖4 TC4-B6平均剪應(yīng)力-名義應(yīng)變曲線Fig.4 Average shear stress-strain curve of TC4-B6

圖4給出了TC4-B6試樣的剪切應(yīng)力應(yīng)變曲線，同時標(biāo)出了8張高速照相照片所對應(yīng)的數(shù)據(jù)(a～h)?？梢钥闯觯篴～d之間，應(yīng)力狀態(tài)十分平穩(wěn)，此時試樣正在經(jīng)歷從均勻變形到非均勻變形累積的過程；e對應(yīng)時刻之后很快出現(xiàn)了應(yīng)力下降的現(xiàn)象，到f時應(yīng)力曲線已經(jīng)明顯下降，說明在e對應(yīng)時刻前后剪切帶產(chǎn)生，隨后在f對應(yīng)時刻的時間區(qū)間內(nèi)不斷擴(kuò)展；在g對應(yīng)時刻應(yīng)力已經(jīng)下降到可以認(rèn)為試樣失效的范圍，照片中裂紋也已完全形成。在整個歷程中，可以看出絕熱剪切帶產(chǎn)生后應(yīng)力突然下降，裂紋緊隨著絕熱剪切帶產(chǎn)生并迅速擴(kuò)展，這使得應(yīng)力曲線迅速下降，試樣失效。另外，圖4中照片a處的名義應(yīng)變達(dá)到了2，而在照片中并沒有看到明顯的變形，說明通過應(yīng)變片測得的名義應(yīng)變偏大，存在一定的誤差，這與第2節(jié)中所描述的情況一致。且圖4中標(biāo)注照片時刻處的名義應(yīng)變也與照片不能很好的對應(yīng)，所以需要對試樣的局部剪切應(yīng)變進(jìn)行分析，并與名義應(yīng)變進(jìn)行比較。

3.2 絕熱剪切帶產(chǎn)生擴(kuò)展時的局部剪切應(yīng)變

圖5 局部剪切應(yīng)變計算結(jié)果Fig.5 Schematic calculation of local shear strain

圖6 TC4-B6局部剪切應(yīng)變-加載時間曲線Fig.6 Local shear strain-loading time curve of TC4-B6

對試樣的“預(yù)制條紋”進(jìn)行分析，以TC4-B6為例(圖3)，實驗前試樣表面的條紋均為直線，實驗時絕熱剪切帶產(chǎn)生擴(kuò)展，使得“條紋”在剪切區(qū)域內(nèi)發(fā)生了不同程度的錯動，由此可對試樣的局部剪切應(yīng)變εp進(jìn)行估算。取圖3所示試樣為例進(jìn)行計算，結(jié)果見圖5。對圖3(a)取虛線處“條紋”進(jìn)行分析，將圖3(c)～3(f)按相同倍數(shù)放大，可以繪出與“條紋”錯動相對應(yīng)的三角形，用像素點(diǎn)數(shù)來描述三角形的兩直角邊長，就可以得出試樣在該處的局部剪切應(yīng)變。對圖3(d)～3(f)中的多條預(yù)制“條紋”分別進(jìn)行計算，取最大值。同樣對其他應(yīng)變率下的試樣進(jìn)行計算，得到的結(jié)果如表2所示。結(jié)合圖3(圖3(c)中沒有剪切帶形成，圖3(f)中裂紋已經(jīng)形成)和表2中TC4-B6的數(shù)據(jù)，可以得到在5×104～6×104應(yīng)變率下，絕熱剪切帶產(chǎn)生擴(kuò)展時的局部剪切應(yīng)變范圍大致為78%～221%，這與S-C.Liao等[7]在實驗中得到的結(jié)果吻合的很好，他們提出TC4合金絕熱剪切帶的局部剪切應(yīng)變在75%～350%之間。同時，在圖3(e)中絕熱剪切帶已經(jīng)明顯產(chǎn)生但它并不是簡單的沿預(yù)制剪切區(qū)域呈直線向前擴(kuò)進(jìn)，而是存在一定的耗散性，如圖3(e)所示。且剪切帶尖端位置的局部剪切應(yīng)變在0.88左右，預(yù)制裂紋尖端處的局部剪切應(yīng)變?yōu)?.21，即沿剪切帶擴(kuò)展方向的應(yīng)變梯度約為η=(2.11-0.88)/Δl=8.98 mm-1(Δl為裂紋尖端到剪切帶尖端沿剪切帶擴(kuò)展方向的距離)。另一方面，注意到在圖3(d)中并沒有明顯的證據(jù)表明剪切帶已經(jīng)產(chǎn)生，因此可以認(rèn)為絕熱剪切帶在圖3(d)～圖3(d)的時間范圍產(chǎn)生。根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，圖3(d)中的最大局部剪切應(yīng)變?yōu)?.78，而圖3(e)中剪切帶尖端的局部剪切應(yīng)變約為0.88，所以可以認(rèn)為絕熱剪切帶產(chǎn)生的臨界剪切應(yīng)變約為78%～88%。S-C.Liao等[7]提出的理論與本文中的研究結(jié)果基本一致。前文提到用入射桿上的應(yīng)變片測得的名義應(yīng)變偏大，為更好的描述試樣在動態(tài)加載下的力學(xué)響應(yīng)，以加載應(yīng)力波到達(dá)試樣端面時刻為零點(diǎn)，繪制局部剪切應(yīng)變(εp)時程曲線，如圖6所示。a～d對應(yīng)時間段，預(yù)制剪切區(qū)域中逐漸發(fā)生變形，應(yīng)變不斷累積；d～f對應(yīng)時間段，預(yù)制剪切區(qū)域內(nèi)發(fā)生了劇烈的變形，應(yīng)變迅速增加，這與我們斷定剪切帶產(chǎn)生擴(kuò)展的時刻一致；g～h對應(yīng)時間段上，試樣已經(jīng)失效，應(yīng)變也不再增加，照片中的裂紋也已完全形成。圖4中名義應(yīng)變最大值為3.2，圖6中局部剪切應(yīng)變最大值為3.08，這說明試樣的主要變形集中在預(yù)制剪切區(qū)域內(nèi)，其他變形是相對小的。

表2 局部剪切應(yīng)變最大值

3.3 絕熱剪切帶微觀形貌

TC4材料的微觀結(jié)構(gòu)在眾多文獻(xiàn)中都有描述[22-24]，本文中TC4微觀組織也分為α-Ti和β-Ti相。實驗后可觀測到的絕熱剪切帶，如圖7所示，在金相顯微鏡和掃描電鏡下觀測到的TC4絕熱剪切帶，寬度大致為5～12 μm。在圖7中可以看到明顯的α-Ti相和β-Ti相，在絕熱剪切帶產(chǎn)生后，α-Ti相和β-Ti相在剪切帶兩側(cè)向相反方向有不同程度的被拉長的現(xiàn)象，并且沒有發(fā)現(xiàn)有相變發(fā)生。

圖7 絕熱剪切帶照片F(xiàn)ig.7 Photograghs of adiabatic shear band

圖8 絕熱剪切斷裂斷口SEM照片F(xiàn)ig.8 SEM photogragh of adiabatic shear fracture

圖8為試樣破壞后絕熱剪切斷口的掃描電鏡(SEM)圖像。從圖8中可以觀察到斷裂的不同形式：一種為河流花樣，這是斷開時兩個面相互摩擦造成的，這種形式是因為產(chǎn)生絕熱剪切帶時的高溫和熱軟化現(xiàn)象；另一種為韌窩斷口，這種斷口不僅在絕熱剪切帶產(chǎn)生的斷口中可以看到，S.Goods等[23]提出在靜態(tài)試驗中也發(fā)現(xiàn)類似的情況，這說明只要達(dá)到一定的應(yīng)變，孔洞就會在微觀不均勻的地方成核。這兩種斷口與S.Timothy等[6,24]提出的形式一致，通常上認(rèn)為原因有兩種：一種是絕熱剪切帶局部高溫造成的熱軟化；另一種是在微觀不均勻的地方受到強(qiáng)烈的剪切而產(chǎn)生了微孔洞。同樣的，在斷口上也沒有發(fā)現(xiàn)相變發(fā)生的證據(jù)。J.Zhang等[25]認(rèn)為韌窩斷口是由于微孔洞形核、長大并最終連接形成的，表現(xiàn)出韌性斷裂特征；河流花樣斷口則表現(xiàn)出脆性斷裂特征?？梢?，TC4在動態(tài)加載過程中沿絕熱剪切帶發(fā)生的斷裂失效過程不均勻，韌性及脆性2種斷裂模式的共同作用導(dǎo)致其最終斷裂。

3.4 2種試樣產(chǎn)生剪切帶的形式

圖9 試樣的2種破壞形式Fig.9 Two different failure modles of samples

本文中采用了2種形式的試樣進(jìn)行實驗。由于設(shè)計尺寸不同2種試樣產(chǎn)生的剪切帶長度和位置也不一致，如圖9所示，TC4-A型試樣產(chǎn)生的剪切帶長度為5～8 mm，與預(yù)制裂紋成約15°夾角，斷口呈白亮色，之后產(chǎn)生了與預(yù)制裂紋方向成約20°～30°夾角的裂紋，斷口呈灰暗色。 TC4-B型試樣在左右兩端均有剪切帶的產(chǎn)生，最終在中間匯合，裂紋也從兩端隨著剪切帶擴(kuò)展，最終斷裂，剪切帶與預(yù)制裂紋方向成約15°夾角，斷口均為白亮色。

隨著加載應(yīng)變率的不斷提高，剪切帶的長度也逐漸增長，裂紋出現(xiàn)的位置不斷推后，當(dāng)應(yīng)變率提高到5×104s-1以上時，剪切帶在整個預(yù)制剪切區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生擴(kuò)展，如圖9(b)所示。M.Zhou等[19]在對C-300的研究中提出入射速度臨界值為29 m/s，小于該速度則出現(xiàn)類似于圖9(a)的斷裂形式，超過時為圖9(b)的斷裂形式。

3.5 絕熱剪切帶的擴(kuò)展速度

由3.1中分析的4個階段可以看出試樣在剪切區(qū)域內(nèi)發(fā)生了嚴(yán)重的非均勻變形，絕熱剪切帶擴(kuò)展導(dǎo)致裂紋形成并最終斷裂，即絕熱剪切帶的擴(kuò)展在非均勻變形之后，裂紋擴(kuò)展之前，雖然前后時間極短，但在高速照相系統(tǒng)中仍能明顯地觀測到整個過程，如圖3(d)～3(g)。

由3.2節(jié)可知，絕熱剪切帶在圖3(d)～3(e)時間產(chǎn)生，圖3(g)中裂紋完全形成。故通過對圖3(d)～3(e)和圖3(e)～3(f)兩個過程中“條紋”變形速度的計算可估算出絕熱剪切帶的擴(kuò)展速度vasb。對圖3(d)～3(e)過程分析有vasb≈786.5m/s，對3(d)～3(e)過程分析有vasb≈1 094.2 m/s，即絕熱剪切帶的擴(kuò)展速度非一定值。對TC4-A型試樣，取TC4-A6為例，圖10給出了高速照相機(jī)照片。從圖中可以清楚的看到剪切帶和裂紋，對圖10(a)～10(b)的過程進(jìn)行分析，有vasb≈363.6 m/s；對圖10(b)～10(c)的過程進(jìn)行分析，有vasb≈609.7 m/s。

圖10 剪切帶擴(kuò)展高速照相機(jī)照片(TC4-A6，時間間隔8 μs)Fig.10 Ultra-high speed photographs of the shear band (TC4-A6, time interval: 8 μs)

圖11 擴(kuò)展速度對比圖Fig.11 Propagation speed-loading time curve

圖12 名義應(yīng)變率與剪切帶擴(kuò)展平均速度的關(guān)系Fig.12 Average propagation speed-nominal strain rate curve

4 結(jié) 論

通過高速照相技術(shù)完整的捕捉了TC4鈦合金在SHPB加載下產(chǎn)生絕熱剪切帶的歷程，對其應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行了分析，并且建立了變形過程與應(yīng)力應(yīng)變曲線的對應(yīng)關(guān)系，得到如下結(jié)論。

(1) 絕熱剪切帶寬度約為5～12 μm，在其兩側(cè)α-Ti相和β-Ti相向相反方向有不同程度的拉長現(xiàn)象。絕熱剪切斷口有河流花樣和韌窩斷口2種形式，且沒有觀測到相變的發(fā)生。

(2) 對單邊試樣和雙邊試樣做了對比，分析了剪切帶產(chǎn)生的不同，雙邊試樣中絕熱剪切帶更容易產(chǎn)生擴(kuò)展。

(3) 通過對高速照片的分析，得到了在本文加載條件下絕熱剪切帶產(chǎn)生擴(kuò)展時臨界剪切應(yīng)變?yōu)?8%～88%。

(4) 通過高速照相技術(shù)對絕熱剪切帶的擴(kuò)展速度進(jìn)行了估算，得到了絕熱剪切帶擴(kuò)展速度的范圍(460～1 250 m/s)，且其隨加載歷程不斷增大；實驗應(yīng)變率越高，絕熱剪切帶產(chǎn)生越迅速，擴(kuò)展越快；擴(kuò)展平均速度與名義應(yīng)變率近似呈線性關(guān)系。

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(責(zé)任編輯 王小飛)

Shear behavior of TC4 alloy under dynamic loading

Su Guan-long, Gong Xu, Li Yu-long, Guo Ya-zhou, Suo Tao

(DepartmentofAeronauticsStructureEngineering,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710072,Shaanxi,China)

Two types (single-edged and double-edged) of TC4 (Ti-6Al-4V) alloy samples are tested by using the split-Hopkinson bar system under the strain rate of 104s-1. By using ultra-high speed photography, the initialization and propagation of adiabatic shear band (ASB) are obtained with sufficient resolution. The relationship of the mechanical properties is built. The width of the shear band is observed to be 5-12 μm by using metallurgical microscope and scanning electron microscopy (SEM). Shear dimples and smooth regions are observed in the fracture surfaces as well. However, no obvious phase-transfer are detected. The double-edged samples have shown a better performance because of the relatively negligible bending during experimenting. The critical shear strain at which ASB appears is between 78%-88% and the propagation speed is estimated to be in the range of 460-1 250 m/s. It is also found that when strain rate rises, the shear bands propagate faster. Moreover, the propagation speed increases as the loading process proceeds and the speed is linearly proportional with the nominal strain rate.

solid mechanics; adiabatic shear band; critical shear strain; propagation speed; ultra-high speed photography; micro morphology; TC4

10.11883/1001-1455(2015)04-0527-09

2013-12-04；

2014-06-25

西北工業(yè)大學(xué)研究生創(chuàng)業(yè)種子基金項目(Z2014001)

蘇冠龍(1989- )，男，碩士研究生； 通訊作者： 李玉龍，liyulong@nwpu.edu.cn。

O346 國標(biāo)學(xué)科代碼： 13015

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