0. 引言
純鈦具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、熱穩(wěn)定性和焊接性能良好等優(yōu)點,廣泛用于航空航天、核工業(yè)、生物材料、海洋工程等領(lǐng)域[1-2]。在實際服役過程中,工程裝備如換熱設(shè)備等不僅承受頻繁啟停和變負(fù)荷導(dǎo)致的機(jī)械及熱應(yīng)力循環(huán)載荷,還承受著穩(wěn)態(tài)運行引起的蠕變載荷,從而導(dǎo)致材料的蠕變和棘輪變形[3-4]。蠕變與棘輪變形的共同作用會加快材料的損傷演化,進(jìn)而影響設(shè)備的安全運行[5]。此外,設(shè)備在服役時還會受到不同加載速率的循環(huán)載荷影響[6-7]。因此,開展工業(yè)純鈦的蠕變-棘輪交互作用及時間相關(guān)性棘輪行為的研究具有重要的工程意義。
近年來,許多學(xué)者針對純鈦材料的時間相關(guān)性變形行為進(jìn)行了研究。ZENG等[8]和PENG等[9]通過不同應(yīng)變速率下的單軸拉伸試驗發(fā)現(xiàn),室溫下純鈦的拉伸行為對應(yīng)變速率較為敏感。金屬材料的蠕變行為通常在高溫下發(fā)生[10-13],但是純鈦在室溫下就出現(xiàn)了明顯的蠕變現(xiàn)象[14-15]。對此,學(xué)者們開展了研究,發(fā)現(xiàn)純鈦在室溫下的蠕變變形機(jī)制非常復(fù)雜,包括晶內(nèi)的位錯運動、孿晶變形及晶界滑移等[16-17]。此外,純鈦在非對稱應(yīng)力控制循環(huán)載荷下具有顯著的棘輪行為[18-19]。CHANG等[20]研究發(fā)現(xiàn),平均應(yīng)力、應(yīng)力幅和峰值應(yīng)力的增加都會促進(jìn)室溫下工業(yè)純鈦的棘輪行為,但該研究未考慮應(yīng)力速率的影響。PENG等[21]研究發(fā)現(xiàn),在保載循環(huán)（在循環(huán)過程中保持恒定峰值或谷值應(yīng)力一段時間）條件下,高應(yīng)力下工業(yè)純鈦的蠕變和棘輪行為顯著,低應(yīng)力下蠕變和棘輪行為減弱。但是,該研究的加載方式為拉伸-卸載循環(huán),未考慮其他循環(huán)變形加載方式的影響。
目前,對于工業(yè)純鈦的時間相關(guān)棘輪行為仍缺乏系統(tǒng)的研究,有關(guān)應(yīng)力速率、峰/谷值應(yīng)力保持時間和保持形式等因素對棘輪行為的影響研究較少,同時蠕變-棘輪交互作用下的時間相關(guān)棘輪行為也尚未厘清。為此,作者在室溫下對TA2純鈦進(jìn)行了一系列單軸非對稱應(yīng)力控制循環(huán)變形試驗,研究了應(yīng)力水平、應(yīng)力速率、峰/谷值應(yīng)力保持時間和保持形式以及加載歷史等多種因素對棘輪行為的影響,以期為建立TA2純鈦的時間相關(guān)本構(gòu)模型提供數(shù)據(jù)支撐。
1. 試樣制備與試驗方法
試驗材料為直徑22 mm的TA2純鈦棒材,由寶雞鈦業(yè)股份有限公司提供,供貨狀態(tài)為熱加工態(tài)（R）,化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）為0.16Fe,<0.01C,<0.01N,0.001H,0.15O,<0.40雜質(zhì)元素（Mg,Al等）,余Ti。按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》加工出如圖1所示的試樣,標(biāo)距段直徑10 mm,長度30 mm。按照GB/T 2965—2007《鈦及鈦合金棒材》在GSL-1100X型管式爐中對試樣進(jìn)行熱處理,溫度為650 ℃,保溫1 h空冷。
采用MTS809型液壓伺服材料試驗機(jī)在室溫下對試樣分別進(jìn)行不同應(yīng)變速率（10?3,10?4 s?1）的單調(diào)拉伸試驗、不同應(yīng)力（420,460 MPa）下的蠕變試驗以及不同加載工況下的非對稱應(yīng)力控制循環(huán)變形試驗,采用MTS634.31F-24型應(yīng)變引伸計測量軸向應(yīng)變,量程為?10%~20%。非對稱應(yīng)力控制循環(huán)變形試驗參數(shù)如表1所示。
| 加載方式 | 平均應(yīng)力/MPa | 應(yīng)力幅/MPa | 應(yīng)力速率/(MPa·s?1) | 循環(huán)次數(shù)/周次 | 峰值應(yīng)力保持時間/s | 谷值應(yīng)力保持時間/s |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 拉-壓循環(huán) | 40, 60, 80 | 360 | 100 | 100 | 0 | 0 |
| 拉-壓循環(huán) | 60 | 360, 380, 400 | ||||
| 拉-拉循環(huán) | 280, 300, 320 | 150 | ||||
| 拉-壓循環(huán) | 60 | 360 | 20, 100, 200 | 100 | 0 | 0 |
| 拉-拉循環(huán) | 220 | 220 | 20, 100, 200 | |||
| 拉-壓循環(huán) | 60 | 360 | 100 | 100 | 10 | 0 |
| 20 | 0 | |||||
| 10 | 10 | |||||
| 20 | 20 | |||||
| 變平均應(yīng)力4級加載 | 280→300→320→280 | 150 | 100 | 50 | 0 | 0 |
| 變應(yīng)力幅4級加載 | 60 | 360→380→400→360 |
為了與峰值應(yīng)力保持10 s下的非對稱應(yīng)力控制循環(huán)變形試驗保持相同的總?cè)渥儠r間,將蠕變階段設(shè)置為1 000 s?？紤]蠕變-棘輪交替進(jìn)行的影響,分別進(jìn)行先拉-壓循環(huán)變形后蠕變試驗（即循環(huán)100周次后,再蠕變1 000 s,蠕變應(yīng)力為循環(huán)時的峰值應(yīng)力）和先蠕變后拉-壓循環(huán)變形試驗（即蠕變1 000 s后,再循環(huán)100周次,蠕變應(yīng)力為循環(huán)時的峰值應(yīng)力）。文中所指應(yīng)力和應(yīng)變均為工程應(yīng)力和工程應(yīng)變。
2. 試驗結(jié)果與討論
2.1 單調(diào)拉伸與蠕變行為
由圖2可以看出：TA2純鈦的單調(diào)拉伸曲線具有明顯的屈服平臺；隨著應(yīng)變速率從10?4 s?1增加到10?3 s?1時,TA2純鈦的屈服強(qiáng)度由348 MPa升高至382 MPa,說明TA2純鈦的單調(diào)拉伸行為具有顯著的應(yīng)變速率敏感性。
由圖3可以看出,TA2純鈦在室溫下具有明顯的蠕變變形行為,應(yīng)變隨時間延長而增加。在蠕變第一階段,蠕變應(yīng)變先快速增加后增速變緩,即蠕變速率逐漸減慢；進(jìn)入蠕變第二階段后,蠕變速率保持穩(wěn)定。應(yīng)力水平越高,相同蠕變時間內(nèi)蠕變應(yīng)變增加幅度越大,蠕變速率越高,蠕變更快進(jìn)入穩(wěn)定增長階段。這與CHANG等[22]得到的TA2工業(yè)純鈦室溫蠕變現(xiàn)象一致。
