TA2絲材循環(huán)拉伸力學(xué)性能研究

簡思聰,段偉,關(guān)耀威

（廣東省科學(xué)院工業(yè)分析檢測中心，廣東 廣州 510650）

TA 2（金屬牌號(hào)）是按工業(yè)純鈦的所含雜質(zhì)元素等級劃分而得，其雜質(zhì)含量及力學(xué)性能一般都介于TA 1和TA 3之間。與其他金屬材料相比，其具備良好的比強(qiáng)度、抗沖擊、焊接性、抗腐蝕、生物兼容等性能，因此在船舶制造、航天航空、生物醫(yī)療等重要工業(yè)科技領(lǐng)域中具有巨大使用價(jià)值［1-2］。在材料的日常工業(yè)應(yīng)用中，零件材料難免會(huì)受到循環(huán)載荷，以致影響整個(gè)部件的使用安全。近幾十年來，國內(nèi)外學(xué)者在各種材料循環(huán)載荷的力學(xué)行為及仿真模擬方面已有一些研究，但在循環(huán)載荷頻次與力學(xué)行為關(guān)聯(lián)關(guān)系方面卻少有論述。本文以TA 2為研究對象，考慮循環(huán)載荷次數(shù)對材料力學(xué)性能的影響，通過對比測試，得到TA 2材料在不同次數(shù)的循環(huán)載荷下力學(xué)性能數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行分析。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

選取直徑為3 mm、硬度為148.3 HV 0.1的工業(yè)純鈦（TA 2）絲材，以其為研究對象，化學(xué)成分按照GB/T 4698采用化學(xué)元素滴定法測得，結(jié)果列于表1。

表1 TA2（工業(yè)純鈦）的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of TA2（industrial pure titanium）

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將TA 2材料放置于1000℃高溫爐中保溫1 h后空冷處理，獲得退火態(tài)試樣TA 2/M。對試樣橫向和縱向截面分別取樣進(jìn)行拋光，然后用氫氟酸+硝酸+水溶液（體積比為2∶1∶17）進(jìn)行侵蝕，獲得TA 2/M金相試樣，利用Leica DM-4000M正置金相顯微鏡儀器對其觀察。圖1為試樣TA 2/M的顯微金相結(jié)構(gòu)。從圖1可見，在三維空間出現(xiàn)魏氏ɑ相，其為層片集束形式，這是由于形核長大過程中β相向低溫同素異構(gòu)ɑ轉(zhuǎn)變的一種產(chǎn)物。

圖1 TA 2/M顯微金相結(jié)構(gòu)Figure 1 The optical microstructure of TA 2/M

將單軸拉伸與不同循環(huán)載荷次數(shù)下的退火態(tài)TA 2的力學(xué)性能進(jìn)行對比研究。拉伸及循環(huán)載荷實(shí)驗(yàn)的位移速率均為1 mm·min-1，循環(huán)載荷實(shí)驗(yàn)在應(yīng)變0.5%時(shí)開始，每次經(jīng)過等量應(yīng)變后采用力控制進(jìn)行卸載至0 N，再重新加載，依次循環(huán)，直至試樣斷裂。

2 結(jié)果與討論

對單軸拉伸及循環(huán)載荷下TA 2/M在屈服后期—塑性變形—緊縮階段的材料力學(xué)行為進(jìn)行了研究，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。從圖2可見：TA 2/M單軸拉伸強(qiáng)度為431 MPa，循環(huán)載荷10次的TA 2/M試樣的抗拉強(qiáng)度為425 MPa，而循環(huán)載荷20次的TA 2/M試樣的抗拉強(qiáng)度為421 MPa；隨著循環(huán)加載次數(shù)的增多，塑性變形階段的拉伸應(yīng)力出現(xiàn)緩慢上升，這是由于TA 2絲材在循環(huán)載荷過程中位錯(cuò)發(fā)生了相應(yīng)的滑移，原有晶粒被拉長，位錯(cuò)密度增加且?guī)缀伪匾诲e(cuò)得到不斷積累；循環(huán)載荷后的TA 2/M相比單軸拉伸，材料的斷后伸長率也有明顯增加，在循環(huán)載荷20次范圍內(nèi)，斷后伸長率會(huì)隨循環(huán)載荷次數(shù)的增多而增大。

圖2 TA 2/M試樣單軸拉伸及循環(huán)加載的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Figure 2 Stress-strain curves of TA 2/M uniaxial tension and cyclic loading

圖3為背應(yīng)力和有效應(yīng)力計(jì)算關(guān)系示意圖，表示在循環(huán)載荷20次過程中的一個(gè)應(yīng)力幅。其中，σr為循環(huán)載荷過程中的加載屈服應(yīng)力、σu為卸載應(yīng)力［3-5］、σflow為流變應(yīng)力，影響應(yīng)力幅的主要因素是有效應(yīng)力σeff和背應(yīng)力σback，他們的計(jì)算關(guān)系如下面公式所示［6］。

圖3 背應(yīng)力和有效應(yīng)力計(jì)算關(guān)系示意圖Figure 3 Schematic for calculating back stress and effective stress

圖4為背應(yīng)力和有效應(yīng)力隨應(yīng)變變化的曲線。從圖4可見，在屈服點(diǎn)附近時(shí)有效應(yīng)力和背應(yīng)力相當(dāng)，在塑性變形階段（應(yīng)變大于0.5%）背應(yīng)力對流變應(yīng)力的影響逐漸大于有效應(yīng)力，在頸縮階段背應(yīng)力和有效應(yīng)力均呈現(xiàn)下降趨勢，這是因?yàn)榧庸び不试谒苄宰冃坞A段就已經(jīng)急劇下降。

圖4 背應(yīng)力和有效應(yīng)力隨應(yīng)變變化的趨勢Figure 4 Back stress and effective stress vary with the tensile strain

3 結(jié)論

（1）對比單軸拉伸與不同循環(huán)載荷次數(shù)下TA 2/M的力學(xué)性能發(fā)現(xiàn)，循環(huán)載荷后的TA 2/M相比單軸拉伸的斷后伸長率明顯增加，且在循環(huán)載荷20次范圍內(nèi)斷后伸長率會(huì)隨循環(huán)載荷次數(shù)的增多而增大。

（2）由于TA 2絲材在循環(huán)載荷過程中位錯(cuò)發(fā)生了相應(yīng)的滑移，原有晶粒被拉長，位錯(cuò)密度增加且?guī)缀伪匾诲e(cuò)得到不斷積累，因此隨著循環(huán)加載次數(shù)的增多，TA 2/M的塑性變形階段的拉伸應(yīng)力出現(xiàn)緩慢上升。

（3）由于TA 2/M在塑性變形階段加工硬化率的急劇下降，使得材料在頸縮階段背應(yīng)力和有效應(yīng)力均呈現(xiàn)下降趨勢。