王 艺 诺
(河北大学建筑工程学院，河北 保定 071002)
TC4材料的力学性能分析
王 艺 诺
(河北大学建筑工程学院，河北 保定 071002)
通过对TC4钛合金试件在常温静态实验及在25 ℃,100 ℃,150 ℃,200 ℃下霍普金森杆动态压缩实验，计算其应变率及应力—应变关系，分析了温度对TC4材料的动态力学性能的影响，得出了一些有应用价值的结论。
TC4钛合金，屈服强度，实验温度，应变率
0 引言
钛合金TC4材料的组成为Ti-6Al-4V，属于(α+β)型钛合金，其综合力学机械性能较为良好,强度较大,耐腐蚀性，耐热性高，韧性和焊接性好，受到广泛应用。但TC4的塑性剪切抗力和加工硬化性能较低,耐磨性能较差,限制了其在某些领域的应用，为提高钛合金的表面性能，应对其进行热氧化处理。因此，研究不同温度下氧化及氧化时间不同的TC4性能变得至关重要。本文运用分离式霍普金森杆，测试在不同温度下的试件，同一应变率下的力学行为及动态压缩性能。
1 实验设计
本实验采用分离式霍普金森压杆装置，装置分为支架，炮膛，子弹，入射杆，透射杆，气泵及数据采集系统，数据由贴在入射杆及透射杆上的应变片采集得到。
子弹，入射杆，透射杆采用18Ni钢制作而成，子弹长200 mm，直径为14 mm，入射杆及投射杆长为1 200 mm，直径为14 mm。试件采用TC4钛合金制作，高度为5 mm，直径5 mm。
本实验是对在25 ℃,100 ℃,150 ℃,200 ℃条件下的TC4钛合金试件进行309s-1，976s-1，1 311s-1，1 533s-1的动态压缩实验，通过实验数据分析可知应变率以及温度对TC4钛合金的影响。
2 实验原理
该实验所用设备SHPB的工作原理是：在压缩空气炮的驱动下，子弹从枪膛中冲出撞击入射杆，从而产生入射波εI，入射波在入射杆内传播至试件时，发生反射与透射，一部分应力波被反射成为反射波εR，另一部分透过试件成为透射波εT，数据由贴在入射杆与透射杆上的应变片采集得到。
本实验通过运用一维应力波理论，可以分别求得分析霍普金森杆入射杆上的入射波形和透射杆上的透射波形获得的试件在高应变率加载下工程应力，工程应变和应变率的计算公式，即霍普金森拉杆的一维波试验原理。
计算公式如下：
式中：E——杆的弹性模量；A——杆的横截面面积；C0——杆弹性纵波波速；As——试件的横截面面积；ls——试件长度。
3 实验结果及分析
为了研究温度对材料力学性能的影响，对于相同应变率，不同温度下试件的应力—应变关系进行比较，如图1所示。
通过数据分析可得，在不同温度下，100 ℃，150 ℃，200 ℃的应力—应变曲线的趋势相似，随着应变的增加，应力不断增大，当试件达到屈服后，随着应变的增加，出现应变强化的现象，其应力几乎不变，趋于稳定；其原因在于当实验温度高于室温时，试件材料开始软化，材料强度降低。当应变强化效应与温度软化效应作用相当时，应力趋于稳定。而25 ℃时，应力依然随应变的增加而增加，但材料屈服后，随着应变的增加，试件所受应力还将继续缓慢增加一段时间，直至趋于稳定。
图2为应变率为1 311s-1下的屈服应力随温度变化的曲线，分析数据可得知，随着温度的增加，屈服应力随温度的增加先增大后减小，且大概在132 ℃时达到最大值，即屈服应力在25 ℃～132 ℃时随温度的增加而增加，在132 ℃～200 ℃时随温度的增大而减小。
图3为应变率为1 311s-1下的屈服应变随温度变化的曲线，分析数据可得知，随着温度的增加，屈服应变随温度的增加先增大后减小最后趋于稳定，且大概在114 ℃时达到最大值，即屈服应变在25 ℃～114 ℃时随温度的增加而增加，在114 ℃～200 ℃时随温度的增大而减小。
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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
王艺诺(1990- ),女，在读硕士
TU501
A
