TA2純鈦絲循環拉伸力學性能研究

TA2（金屬牌號）是按工業純鈦的所含雜質元素等級劃分而得，其雜質含量及力學性能一般都介于TA1和TA3之間。與其他金屬材料相比，其具備良好的比強度、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、生物醫療等重要工業科技領域中具有巨大使用價值［1-2］。在材料的日常工業應用中，零件材料難免會受到循環載荷，以致影響整個部件的使用安全。近幾十年來，國內外學者在各種材料循環載荷的力學行為及仿真模擬方面已有一些研究，但在循環載荷頻次與力學行為關聯關系方面卻少有論述。本文以TA2為研究對象，考慮循環載荷次數對材料力學性能的影響，通過對比測試，得到TA2材料在不同次數的循環載荷下力學性能數據并對其進行分析。

1、實驗材料與方法

1.1實驗材料

選取直徑為3mm、硬度為148.3HV0.1的工業純鈦（TA2）鈦絲材，以其為研究對象，化學成分按照GB/T4698采用化學元素滴定法測得，結果列于表1。

1.2實驗方法

將TA2材料放置于1000℃高溫爐中保溫1h后空冷處理，獲得退火態試樣TA2/M。對試樣橫向和縱向截面分別取樣進行拋光，然后用氫氟酸+硝酸+水溶液（體積比為2∶1∶17）進行侵蝕，獲得TA2/M金相試樣，利用LeicaDM-4000M正置金相顯微鏡儀器對其觀察。圖1為試樣TA2/M的顯微金相結構。從圖1可見，在三維空間出現魏氏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ɑ轉變的一種產物。

將單軸拉伸與不同循環載荷次數下的退火態TA2的力學性能進行對比研究。拉伸及循環載荷實驗的位移速率均為1mm·min?1，循環載荷實驗在應變0.5%時開始，每次經過等量應變后采用力控制進行卸載至0N，再重新加載，依次循環，直至試樣斷裂。

2、結果與討論

對單軸拉伸及循環載荷下TA2/M在屈服后期—塑性變形—緊縮階段的材料力學行為進行了研究，其應力-應變曲線如圖2所示。從圖2可見：TA2/M單軸拉伸強度為431MPa，循環載荷10次的TA2/M試樣的抗拉強度為425MPa，而循環載荷20次的TA2/M試樣的抗拉強度為421MPa；隨著循環加載次數的增多，塑性變形階段的拉伸應力出現緩慢上升，這是由于TA2絲材在循環載荷過程中位錯發生了相應的滑移，原有晶粒被拉長，位錯密度增加且幾何必要位錯得到不斷積累；循環載荷后的TA2/M相比單軸拉伸，材料的斷后伸長率也有明顯增加，在循環載荷20次范圍內，斷后伸長率會隨循環載荷次數的增多而增大。

圖3為背應力和有效應力計算關系示意圖，表示在循環載荷20次過程中的一個應力幅。其中，σ_r為循環載荷過程中的加載屈服應力、σ_u為卸載應力［3-5］、σflow為流變應力，影響應力幅的主要因素是有效應力σ_eff和背應力σ_back，他們的計算關系如下面公式所示［6］。

圖4為背應力和有效應力隨應變變化的曲線。從圖4可見，在屈服點附近時有效應力和背應力相當，在塑性變形階段（應變大于0.5%）背應力對流變應力的影響逐漸大于有效應力，在頸縮階段背應力和有效應力均呈現下降趨勢，這是因為加工硬化率在塑性變形階段就已經急劇下降。

3、結論

（1）對比單軸拉伸與不同循環載荷次數下TA2/M的力學性能發現，循環載荷后的TA2/M相比單軸拉伸的斷后伸長率明顯增加，且在循環載荷20次范圍內斷后伸長率會隨循環載荷次數的增多而增大。

（2）由于TA2鈦絲材在循環載荷過程中位錯發生了相應的滑移，原有晶粒被拉長，位錯密度增加且幾何必要位錯得到不斷積累，因此隨著循環加載次數的增多，TA2/M的塑性變形階段的拉伸應力出現緩慢上升。

（3）由于TA2/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力和有效應力均呈現下降趨勢。

參考文獻：

［1］ 劉以波，徐鋒，姚雷，等 .TA2 工業純鈦連續冷卻過程中 β→α 相變的原位觀察［J］.機械工程材料，2011，35（1）：26-28.

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［6］ MOANG D， EMBURY J D.A study of the bauschinger effffect in Al-Cu alloys［J］.Acta Metall，1979，27：903-914.

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