TC4材料的力學(xué)性能分析

王 藝 諾

(河北大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北 保定 071002)

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TC4材料的力學(xué)性能分析

王 藝 諾

(河北大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北 保定 071002)

通過(guò)對(duì)TC4鈦合金試件在常溫靜態(tài)實(shí)驗(yàn)及在25 ℃,100 ℃,150 ℃,200 ℃下霍普金森桿動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，計(jì)算其應(yīng)變率及應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，分析了溫度對(duì)TC4材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響，得出了一些有應(yīng)用價(jià)值的結(jié)論。

TC4鈦合金，屈服強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)溫度，應(yīng)變率

0 引言

鈦合金TC4材料的組成為T(mén)i-6Al-4V，屬于(α+β)型鈦合金，其綜合力學(xué)機(jī)械性能較為良好,強(qiáng)度較大,耐腐蝕性，耐熱性高，韌性和焊接性好，受到廣泛應(yīng)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(lǐng)域的應(yīng)用，為提高鈦合金的表面性能，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行熱氧化處理。因此，研究不同溫度下氧化及氧化時(shí)間不同的TC4性能變得至關(guān)重要。本文運(yùn)用分離式霍普金森桿，測(cè)試在不同溫度下的試件，同一應(yīng)變率下的力學(xué)行為及動(dòng)態(tài)壓縮性能。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)由貼在入射桿及透射桿上的應(yīng)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(zhǎng)200 mm，直徑為14 mm，入射桿及投射桿長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)是對(duì)在25 ℃,100 ℃,150 ℃,200 ℃條件下的TC4鈦合金試件進(jìn)行309s-1，976s-1，1 311s-1，1 533s-1的動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知應(yīng)變率以及溫度對(duì)TC4鈦合金的影響。

2 實(shí)驗(yàn)原理

該實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備SHPB的工作原理是：在壓縮空氣炮的驅(qū)動(dòng)下，子彈從槍膛中沖出撞擊入射桿，從而產(chǎn)生入射波εI，入射波在入射桿內(nèi)傳播至試件時(shí)，發(fā)生反射與透射，一部分應(yīng)力波被反射成為反射波εR，另一部分透過(guò)試件成為透射波εT，數(shù)據(jù)由貼在入射桿與透射桿上的應(yīng)變片采集得到。

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)運(yùn)用一維應(yīng)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(yīng)變率加載下工程應(yīng)力，工程應(yīng)變和應(yīng)變率的計(jì)算公式，即霍普金森拉桿的一維波試驗(yàn)原理。

計(jì)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(zhǎng)度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了研究溫度對(duì)材料力學(xué)性能的影響，對(duì)于相同應(yīng)變率，不同溫度下試件的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行比較，如圖1所示。

通過(guò)數(shù)據(jù)分析可得，在不同溫度下，100 ℃，150 ℃，200 ℃的應(yīng)力—應(yīng)變曲線的趨勢(shì)相似，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力不斷增大，當(dāng)試件達(dá)到屈服后，隨著應(yīng)變的增加，出現(xiàn)應(yīng)變強(qiáng)化的現(xiàn)象，其應(yīng)力幾乎不變，趨于穩(wěn)定；其原因在于當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度高于室溫時(shí)，試件材料開(kāi)始軟化，材料強(qiáng)度降低。當(dāng)應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)與溫度軟化效應(yīng)作用相當(dāng)時(shí)，應(yīng)力趨于穩(wěn)定。而25 ℃時(shí)，應(yīng)力依然隨應(yīng)變的增加而增加，但材料屈服后，隨著應(yīng)變的增加，試件所受應(yīng)力還將繼續(xù)緩慢增加一段時(shí)間，直至趨于穩(wěn)定。

圖2為應(yīng)變率為1 311s-1下的屈服應(yīng)力隨溫度變化的曲線，分析數(shù)據(jù)可得知，隨著溫度的增加，屈服應(yīng)力隨溫度的增加先增大后減小，且大概在132 ℃時(shí)達(dá)到最大值，即屈服應(yīng)力在25 ℃～132 ℃時(shí)隨溫度的增加而增加，在132 ℃～200 ℃時(shí)隨溫度的增大而減小。

圖3為應(yīng)變率為1 311s-1下的屈服應(yīng)變隨溫度變化的曲線，分析數(shù)據(jù)可得知，隨著溫度的增加，屈服應(yīng)變隨溫度的增加先增大后減小最后趨于穩(wěn)定，且大概在114 ℃時(shí)達(dá)到最大值，即屈服應(yīng)變?cè)?5 ℃～114 ℃時(shí)隨溫度的增加而增加，在114 ℃～200 ℃時(shí)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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