TC17鈦合金在高溫與高應(yīng)變率下的動態(tài)壓縮力學(xué)行為研究

牛秋林 陳 明 明偉偉

1.湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湘潭,4112012.上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院,上海,2002403.湖南科技大學(xué)難加工材料高效精密加工湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭,411201

TC17鈦合金在高溫與高應(yīng)變率下的動態(tài)壓縮力學(xué)行為研究

牛秋林1,3陳 明2明偉偉2

1.湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湘潭,4112012.上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院,上海,2002403.湖南科技大學(xué)難加工材料高效精密加工湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭,411201

采用微型分離式霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對TC17鈦合金在高溫、高應(yīng)變率條件下的動態(tài)力學(xué)行為進(jìn)行研究，測試材料的應(yīng)力應(yīng)變行為，分析實(shí)驗(yàn)溫度、應(yīng)變率和應(yīng)變對其動態(tài)力學(xué)性能的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)應(yīng)變率為3000 s-1時，TC17鈦合金表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化效應(yīng)，但在高溫、高應(yīng)變率條件下其應(yīng)變硬化效應(yīng)明顯減弱；TC17鈦合金具有應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)，但在溫度升高過程中其應(yīng)變率敏感性隨著實(shí)驗(yàn)溫度的升高而先減小后增大；實(shí)驗(yàn)溫度對TC17鈦合金的動態(tài)壓縮力學(xué)行為的影響非常明顯，溫度敏感性因子隨溫度的升高大幅度增大。

材料力學(xué)；動態(tài)壓縮力學(xué)行為；分離式霍普金森壓桿；TC17鈦合金；高應(yīng)變率

0 引言

TC17鈦合金是一種典型的近β相的α+β兩相鈦合金，具有高強(qiáng)度、高韌性和高淬透性，可被用于制造航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)盤、風(fēng)扇盤、離心葉輪及各種零部件[1-2]。TC17鈦合金既是一種重要的高強(qiáng)度鈦合金材料，也是一種典型的難加工材料。在切削加工過程中，TC17鈦合金會產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形，其加工過程是一個包含大應(yīng)變和高應(yīng)變率的劇烈壓縮變形過程[3-4],因此，研究TC17鈦合金的動態(tài)力學(xué)行為對深入認(rèn)識其在高速切削過程中產(chǎn)生的彈塑性變形行為和切屑的形成機(jī)理，以及促進(jìn)其高速高效加工具有重要價值。

關(guān)于鈦合金的動態(tài)力學(xué)行為，國內(nèi)外的研究主要集中在常溫下和高應(yīng)變率時的力學(xué)行為[5]。WANG等[6]研究了應(yīng)變率為6000～12 000 s-1和溫度為200～800 ℃范圍內(nèi)TC17鈦合金的動態(tài)力學(xué)變形行為，認(rèn)為其具有顯著的熱軟化、應(yīng)變率強(qiáng)化和應(yīng)變硬化等效應(yīng)。LI等[7]對常溫下TC17鈦合金的動態(tài)力學(xué)行為研究后發(fā)現(xiàn)，TC17鈦合金的動態(tài)屈服強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度均高于靜態(tài)數(shù)據(jù)，并且其失效與應(yīng)變率有關(guān)。文獻(xiàn)[8]則對TC17鈦合金在應(yīng)變率為0.001～10 s-1范圍內(nèi)的等溫壓縮力學(xué)行為進(jìn)行了研究，并得到了可控制材料微觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化溫度和應(yīng)變率。針對TC17鈦合金電子束焊接接頭的力學(xué)行為，于冰冰等[9]對焊接接頭進(jìn)行了拉伸性能測試，分析了接頭不同區(qū)域的顯微組織。

本文針對應(yīng)用于航天零件制造的TC17鈦合金，通過分離式霍普金森壓桿(SHPB)實(shí)驗(yàn)對其在不同溫度和應(yīng)變率下的動態(tài)力學(xué)行為進(jìn)行研究，以期全面得到TC17鈦合金的動態(tài)力學(xué)變形行為，為該材料在高應(yīng)變率、高溫條件下的實(shí)際工作提供指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)過程

本次實(shí)驗(yàn)材料為TC17鈦合金，其名義成分為Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr[10]。TC17鈦合金主要由α相和β相構(gòu)成，其化學(xué)成分如表1所示。試樣規(guī)格為φ2 mm×2 mm的圓柱。SHPB實(shí)驗(yàn)分別在常溫(30 ℃)和高溫(150 ℃、300 ℃、500 ℃、700 ℃)五個溫度條件，以及應(yīng)變率為高應(yīng)變率3000 s-1、5000 s-1、8000 s-1和10 000 s-1四個測試點(diǎn)下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)方案采用單因素實(shí)驗(yàn)。

表1 TC17鈦合金的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))[10]Tab.1 Chemical composition of four different materials(mass fraction) %

本文中的動態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)在西北工業(yè)大學(xué)的微型Hopkinson壓桿實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上完成，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。該系統(tǒng)的入射桿和透射桿規(guī)格均為φ5 mm×400 mm。同時，為了獲得高應(yīng)變率，實(shí)驗(yàn)中采用長度為140 mm的撞擊桿以獲得3000 s-1的應(yīng)變率；采用長度為70 mm的撞擊桿以獲得5000 s-1、8000 s-1和10 000 s-1的應(yīng)變率。撞擊桿的直徑均為5 mm。進(jìn)行高溫SHPB實(shí)驗(yàn)時，利用熱電偶絲通過直流電源對放置于環(huán)形電爐內(nèi)的試樣進(jìn)行加熱，并采用了同步組裝系統(tǒng)。

圖1 微型SHPB實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental devices of SHPB

2 結(jié)果與討論

2.1 σ-ε行為分析

圖2所示為不同溫度和應(yīng)變率條件下得到的TC17鈦合金的動態(tài)σ-ε曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)應(yīng)變率為3000 s-1時，材料的真實(shí)應(yīng)力隨著真實(shí)應(yīng)變的增大逐漸增大，表現(xiàn)出了顯著的應(yīng)變硬化效應(yīng)(圖2a)。但是，當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度由常溫逐漸升高到700℃時，TC17鈦合金在塑性變形階段的真實(shí)應(yīng)力隨真實(shí)應(yīng)變增大的趨勢不斷放緩，應(yīng)變硬化效應(yīng)明顯減弱。當(dāng)應(yīng)變率分別為5000 s-1、8000 s-1和10 000 s-1時，塑性變形時的σ-ε曲線均比較平緩，TC17鈦合金的應(yīng)變硬化效應(yīng)不明顯。此外，隨著實(shí)驗(yàn)溫度的不斷升高，不同應(yīng)變率下獲得的真實(shí)應(yīng)力均顯著減小，這表明溫度對TC17鈦合金的力學(xué)行為的影響比較明顯。

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000 s-1

圖2 TC17鈦合金在不同應(yīng)變率下不同溫度的真實(shí)σ-ε曲線Fig.2 True stress-strain curves of TC17 alloy at different strain rates

TC17鈦合金的抗壓強(qiáng)度和最大壓縮應(yīng)變隨應(yīng)變率的變化規(guī)律如圖3和圖4所示。由圖3可知，TC17鈦合金的抗壓強(qiáng)度總體表現(xiàn)為在相同溫度下隨著應(yīng)變率的增大而緩慢增大。當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度為700 ℃時，抗壓強(qiáng)度從519.61 MPa(應(yīng)變率為3000 s-1)增大到了762.23 MPa(應(yīng)變率為10 000 s-1)，增幅為46.69%，而在其他溫度條件下材料的抗壓強(qiáng)度增幅均在10%～20%之間。因此，TC17鈦合金表現(xiàn)出了一定的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)，并且TC17鈦合金的抗壓強(qiáng)度在實(shí)驗(yàn)溫度為700 ℃時增幅最大，應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)最明顯。由圖4可知，TC17鈦合金的最大壓縮應(yīng)變隨著應(yīng)變率的增大而逐漸增大。當(dāng)應(yīng)變率為10 000 s-1、實(shí)驗(yàn)溫度低于500 ℃時，試樣的最大壓縮應(yīng)變隨著溫度的升高逐漸減小。這表明在動態(tài)壓縮過程中，TC17鈦合金試樣的塑性變形在高溫時最顯著，這同其高溫時抗壓強(qiáng)度最低的結(jié)論一致。

圖3 不同溫度時TC17鈦合金抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變率的變化趨勢Fig.3 The variation of compressive strength of TC17 titanium alloy with strain rate at different temperatures

圖4 不同溫度時TC17鈦合金最大壓縮應(yīng)變隨應(yīng)變率的變化趨勢Fig.4 The variation of the maximum compressive strain of TC17 titanium alloy with strain rate at different temperatures

2.2 應(yīng)變率硬化分析

圖5所示為TC17鈦合金在不同溫度條件下應(yīng)變率敏感性隨真實(shí)應(yīng)變的變化規(guī)律。應(yīng)變率敏感性反映了應(yīng)變率對應(yīng)變率硬化效應(yīng)的影響程度，可用下式來描述[11]：

(1)

圖5 不同溫度時TC17鈦合金應(yīng)變率敏感性隨真實(shí)應(yīng)變的變化趨勢(ε=0.06)Fig.5 Variation trend of strain rate sensitivity of TC17 titanium alloy with true strain at different temperatures(ε=0.06)

由圖5可以看出，當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度為常溫時，應(yīng)變率敏感性隨真實(shí)應(yīng)變的增大而快速降低。當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度分別為150 ℃、300 ℃和500 ℃時，應(yīng)變率敏感性的降速逐漸放緩。應(yīng)變率敏感性在700 ℃時隨真實(shí)應(yīng)變的變化很小。同時，隨著實(shí)驗(yàn)溫度的升高，TC17鈦合金的應(yīng)變率敏感性的變化規(guī)律比較復(fù)雜，呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，這反映出在溫度升高過程中TC17鈦合金的應(yīng)變率敏感性不顯著。但是在700℃時，其應(yīng)變率敏感性基本維持在225MPa左右，應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)明顯。

2.3 溫度敏感性分析

圖6所示為TC17鈦合金的溫度敏感性因子的變化趨勢(參考溫度為30℃，ε=0.06)。本文采用下式[12]對溫度敏感性進(jìn)行計(jì)算：

(2)

式中，T0為參考溫度;T為實(shí)驗(yàn)溫度;σ0為溫度為T0時的真實(shí)應(yīng)力；σ為溫度為T時的真實(shí)應(yīng)力；ST為溫度敏感性因子。

圖6 不同溫度時TC17鈦合金溫度敏感性因子隨應(yīng)變率的變化趨勢(ε=0.06)Fig.6 The variation trend of temperature sensitive factors of TC17 titanium alloy with strain rate at different temperatures(ε=0.06)

從圖6中可以看出，在同一應(yīng)變率下，材料的溫度敏感性因子隨溫度的升高而大幅度增大，特別是當(dāng)溫度由300 ℃升高為500 ℃時，材料的溫度敏感性最顯著，TC17鈦合金的動態(tài)壓縮力學(xué)行為受溫度的影響最明顯。同時，隨著應(yīng)變率的增大，在同一溫度下，溫度敏感性因子呈逐漸增大的趨勢。這表明應(yīng)變率的增大會加強(qiáng)TC17鈦合金在動態(tài)壓縮過程中的溫度效應(yīng)。但是，當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度增大到700℃時，TC17鈦合金溫度效應(yīng)隨著應(yīng)變率的增大而逐漸減弱，因此，在高溫、高應(yīng)變率時，溫度對其動態(tài)壓縮力學(xué)行為的影響較小。

TC17鈦合金的密度ρ和比熱容cV分別為4.77×103kg/m3和0.52 kJ/(kg·K)[2](取對應(yīng)溫度為25 ℃的比熱容為參考值)。為進(jìn)一步研究動態(tài)壓縮過程中可能存在的絕熱溫升及其影響，通過對絕熱溫升的計(jì)算得到了TC17鈦合金的絕熱溫升隨應(yīng)變率的變化情況(圖7)。由圖7可知，在相同實(shí)驗(yàn)溫度條件下試樣的絕熱溫升隨著應(yīng)變率的增大而逐漸增加，特別是當(dāng)應(yīng)變率為10 000 s-1時，溫升現(xiàn)象最顯著。絕熱溫升的存在會引起材料的應(yīng)變軟化。隨著實(shí)驗(yàn)溫度的升高，絕熱溫升表現(xiàn)出總體降低的趨勢。當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度由300 ℃升高到700 ℃時，絕熱溫升下降最明顯，由其引起的應(yīng)變軟化效應(yīng)也隨之減弱。

圖7 不同溫度條件下TC17鈦合金的絕熱溫升隨應(yīng)變率的變化(ε= 0.04)Fig.7 The variation trend of adiabatic temperature rise of TC17 titanium alloy with strain rate at different temperatures(ε= 0.04)

圖8所示為TC17鈦合金動態(tài)壓縮過程中絕熱溫度和真實(shí)應(yīng)力之間的相互關(guān)系。由圖8可知，隨著材料應(yīng)變量的增大其真實(shí)應(yīng)力不斷升高，這與材料塑性變形時產(chǎn)生的熱能不斷積累有關(guān)。這種現(xiàn)象在高應(yīng)變率、低溫時較為明顯(圖8b～圖8d)。由于合金中固溶原子向位錯周圍擴(kuò)散和聚集[13]，在高溫、高應(yīng)變率下，真實(shí)應(yīng)力隨應(yīng)變的變化表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(圖8b～圖8c)。

3 結(jié)論

(1)當(dāng)應(yīng)變率為3000 s-1時，TC17鈦合金具有顯著的應(yīng)變硬化效應(yīng)，真實(shí)應(yīng)力隨真實(shí)應(yīng)變的變化較大。但是，當(dāng)應(yīng)變率達(dá)到5000s-1之后，其應(yīng)變硬化效應(yīng)較弱。同時，當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度不斷升高時，其應(yīng)變硬化效應(yīng)會明顯減弱。

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000 s-1圖8 不同應(yīng)變率下TC17鈦合金的流動應(yīng)力隨絕熱溫度的變化Fig.8 The change of flow stress of TC17 titanium alloy with different strain rate

(2)TC17鈦合金表現(xiàn)出了一定的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)，其最大壓縮應(yīng)變隨著應(yīng)變率的增大而增大。但在溫度升高過程中其應(yīng)變率敏感性不顯著，其應(yīng)變率敏感性隨著實(shí)驗(yàn)溫度的升高而先減小后增大。

(3)TC17鈦合金的動態(tài)壓縮力學(xué)行為受溫度的影響非常明顯，溫度敏感性因子隨溫度的升高而大幅度增大。但是，當(dāng)應(yīng)變率為10 000 s-1、實(shí)驗(yàn)溫度達(dá)到700 ℃時，實(shí)驗(yàn)溫度對其動態(tài)壓縮力學(xué)行為的影響較小。而當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度低于500 ℃時，TC17鈦合金的絕熱溫升變化比較顯著。

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StudyonDynamicCompressiveMechanicsBehaviorofTC17TitaniumAlloyatHighTemperatureandHighStrainRates

NIU Qiulin1,3CHEN Ming2MING Weiwei2

1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan，Hunan,4112012.School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai,200240 3.Hunan Provincial Key Laboratory of High Efficiency and Precision Machining of Difficult-to-Cut Material, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan,Hunan,411201

The dynamic mechanics behaviors of TC17 titanium alloy were studied under the conditions of high temperatures and high strain rates by using SHPB experimental system. The stress and strain behaviors of the materials were tested, and the effects of the experimental temperatures, strain rates and strains on the dynamic mechanics properties were analyzed. The experimental results show that when the strain rate is as 3000 s-1, TC17 titanium alloy exhibits obvious strain hardening effects, but the strain hardening effects are weakened at high temperatures and high strain rates. TC17 titanium alloy has strain rate strengthening effect, but during the temperature increase processes, the strain rate sensitivity decreases firstly and then increases with the temperature increase. The effects of temperature on the dynamic compressive mechanics behaviors of TC17 titanium alloy are very obvious, and the temperature sensitivity factor increases with the temperature increase.

mechanics of materials; dynamic compressive mechanics behavior; split Hopkinson pressure bar(SHPB); TC17 titanium alloy; high strain rate

TG146.2

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.23.017

2017-05-04

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51405294,51605161,51675204)

(編輯胡佳慧)

牛秋林，男，1983年生。湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院講師、博士。主要研究方向?yàn)殡y加工材料高速切削、超聲振動輔助加工和難加工材料本構(gòu)關(guān)系建模。發(fā)表論文近20篇。E-mail: qlniu2009@163.com。陳明，男，1966年生。上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。明偉偉，男，1982年生。上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院助理研究員。