TC17钛合金在高温与高应变率下的动态压缩力学行为研究

牛秋林 陈 明 明伟伟

1.湖南科技大学机电工程学院，湘潭,4112012.上海交通大学机械与动力工程学院,上海,2002403.湖南科技大学难加工材料高效精密加工湖南省重点实验室，湘潭,411201

TC17钛合金在高温与高应变率下的动态压缩力学行为研究

牛秋林1,3陈 明2明伟伟2

1.湖南科技大学机电工程学院，湘潭,4112012.上海交通大学机械与动力工程学院,上海,2002403.湖南科技大学难加工材料高效精密加工湖南省重点实验室，湘潭,411201

采用微型分离式霍普金森压杆实验系统对TC17钛合金在高温、高应变率条件下的动态力学行为进行研究，测试材料的应力应变行为，分析实验温度、应变率和应变对其动态力学性能的影响规律。实验结果表明：当应变率为3000 s-1时，TC17钛合金表现出明显的应变硬化效应，但在高温、高应变率条件下其应变硬化效应明显减弱；TC17钛合金具有应变率强化效应，但在温度升高过程中其应变率敏感性随着实验温度的升高而先减小后增大；实验温度对TC17钛合金的动态压缩力学行为的影响非常明显，温度敏感性因子随温度的升高大幅度增大。

材料力学；动态压缩力学行为；分离式霍普金森压杆；TC17钛合金；高应变率

0 引言

TC17钛合金是一种典型的近β相的α+β两相钛合金，具有高强度、高韧性和高淬透性，可被用于制造航空发动机压气机盘、风扇盘、离心叶轮及各种零部件[1-2]。TC17钛合金既是一种重要的高强度钛合金材料，也是一种典型的难加工材料。在切削加工过程中，TC17钛合金会产生严重的塑性变形，其加工过程是一个包含大应变和高应变率的剧烈压缩变形过程[3-4],因此，研究TC17钛合金的动态力学行为对深入认识其在高速切削过程中产生的弹塑性变形行为和切屑的形成机理，以及促进其高速高效加工具有重要价值。

关于钛合金的动态力学行为，国内外的研究主要集中在常温下和高应变率时的力学行为[5]。WANG等[6]研究了应变率为6000～12 000 s-1和温度为200～800 ℃范围内TC17钛合金的动态力学变形行为，认为其具有显著的热软化、应变率强化和应变硬化等效应。LI等[7]对常温下TC17钛合金的动态力学行为研究后发现，TC17钛合金的动态屈服强度和冲击强度均高于静态数据，并且其失效与应变率有关。文献[8]则对TC17钛合金在应变率为0.001～10 s-1范围内的等温压缩力学行为进行了研究，并得到了可控制材料微观结构的优化温度和应变率。针对TC17钛合金电子束焊接接头的力学行为，于冰冰等[9]对焊接接头进行了拉伸性能测试，分析了接头不同区域的显微组织。

本文针对应用于航天零件制造的TC17钛合金，通过分离式霍普金森压杆(SHPB)实验对其在不同温度和应变率下的动态力学行为进行研究，以期全面得到TC17钛合金的动态力学变形行为，为该材料在高应变率、高温条件下的实际工作提供指导意义。

1 实验过程

本次实验材料为TC17钛合金，其名义成分为Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr[10]。TC17钛合金主要由α相和β相构成，其化学成分如表1所示。试样规格为φ2 mm×2 mm的圆柱。SHPB实验分别在常温(30 ℃)和高温(150 ℃、300 ℃、500 ℃、700 ℃)五个温度条件，以及应变率为高应变率3000 s-1、5000 s-1、8000 s-1和10 000 s-1四个测试点下进行。实验方案采用单因素实验。

表1 TC17钛合金的主要化学成分(质量分数)[10]Tab.1 Chemical composition of four different materials(mass fraction) %

本文中的动态压缩实验在西北工业大学的微型Hopkinson压杆实验系统上完成，实验装置如图1所示。该系统的入射杆和透射杆规格均为φ5 mm×400 mm。同时，为了获得高应变率，实验中采用长度为140 mm的撞击杆以获得3000 s-1的应变率；采用长度为70 mm的撞击杆以获得5000 s-1、8000 s-1和10 000 s-1的应变率。撞击杆的直径均为5 mm。进行高温SHPB实验时，利用热电偶丝通过直流电源对放置于环形电炉内的试样进行加热，并采用了同步组装系统。

图1 微型SHPB实验装置Fig.1 Experimental devices of SHPB

2 结果与讨论

2.1 σ-ε行为分析

图2所示为不同温度和应变率条件下得到的TC17钛合金的动态σ-ε曲线。实验结果表明,当应变率为3000 s-1时，材料的真实应力随着真实应变的增大逐渐增大，表现出了显著的应变硬化效应(图2a)。但是，当实验温度由常温逐渐升高到700℃时，TC17钛合金在塑性变形阶段的真实应力随真实应变增大的趋势不断放缓，应变硬化效应明显减弱。当应变率分别为5000 s-1、8000 s-1和10 000 s-1时，塑性变形时的σ-ε曲线均比较平缓，TC17钛合金的应变硬化效应不明显。此外，随着实验温度的不断升高，不同应变率下获得的真实应力均显著减小，这表明温度对TC17钛合金的力学行为的影响比较明显。

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000 s-1

图2 TC17钛合金在不同应变率下不同温度的真实σ-ε曲线Fig.2 True stress-strain curves of TC17 alloy at different strain rates

TC17钛合金的抗压强度和最大压缩应变随应变率的变化规律如图3和图4所示。由图3可知，TC17钛合金的抗压强度总体表现为在相同温度下随着应变率的增大而缓慢增大。当实验温度为700 ℃时，抗压强度从519.61 MPa(应变率为3000 s-1)增大到了762.23 MPa(应变率为10 000 s-1)，增幅为46.69%，而在其他温度条件下材料的抗压强度增幅均在10%～20%之间。因此，TC17钛合金表现出了一定的应变率强化效应，并且TC17钛合金的抗压强度在实验温度为700 ℃时增幅最大，应变率强化效应最明显。由图4可知，TC17钛合金的最大压缩应变随着应变率的增大而逐渐增大。当应变率为10 000 s-1、实验温度低于500 ℃时，试样的最大压缩应变随着温度的升高逐渐减小。这表明在动态压缩过程中，TC17钛合金试样的塑性变形在高温时最显著，这同其高温时抗压强度最低的结论一致。

图3 不同温度时TC17钛合金抗压强度随应变率的变化趋势Fig.3 The variation of compressive strength of TC17 titanium alloy with strain rate at different temperatures

图4 不同温度时TC17钛合金最大压缩应变随应变率的变化趋势Fig.4 The variation of the maximum compressive strain of TC17 titanium alloy with strain rate at different temperatures

2.2 应变率硬化分析

图5所示为TC17钛合金在不同温度条件下应变率敏感性随真实应变的变化规律。应变率敏感性反映了应变率对应变率硬化效应的影响程度，可用下式来描述[11]：

(1)

图5 不同温度时TC17钛合金应变率敏感性随真实应变的变化趋势(ε=0.06)Fig.5 Variation trend of strain rate sensitivity of TC17 titanium alloy with true strain at different temperatures(ε=0.06)

由图5可以看出，当实验温度为常温时，应变率敏感性随真实应变的增大而快速降低。当实验温度分别为150 ℃、300 ℃和500 ℃时，应变率敏感性的降速逐渐放缓。应变率敏感性在700 ℃时随真实应变的变化很小。同时，随着实验温度的升高，TC17钛合金的应变率敏感性的变化规律比较复杂，呈现出先减小后增大的趋势，这反映出在温度升高过程中TC17钛合金的应变率敏感性不显著。但是在700℃时，其应变率敏感性基本维持在225MPa左右，应变率强化效应明显。

2.3 温度敏感性分析

图6所示为TC17钛合金的温度敏感性因子的变化趋势(参考温度为30℃，ε=0.06)。本文采用下式[12]对温度敏感性进行计算：

(2)

式中，T0为参考温度;T为实验温度;σ0为温度为T0时的真实应力；σ为温度为T时的真实应力；ST为温度敏感性因子。

图6 不同温度时TC17钛合金温度敏感性因子随应变率的变化趋势(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)

从图6中可以看出，在同一应变率下，材料的温度敏感性因子随温度的升高而大幅度增大，特别是当温度由300 ℃升高为500 ℃时，材料的温度敏感性最显著，TC17钛合金的动态压缩力学行为受温度的影响最明显。同时，随着应变率的增大，在同一温度下，温度敏感性因子呈逐渐增大的趋势。这表明应变率的增大会加强TC17钛合金在动态压缩过程中的温度效应。但是，当实验温度增大到700℃时，TC17钛合金温度效应随着应变率的增大而逐渐减弱，因此，在高温、高应变率时，温度对其动态压缩力学行为的影响较小。

TC17钛合金的密度ρ和比热容cV分别为4.77×103kg/m3和0.52 kJ/(kg·K)[2](取对应温度为25 ℃的比热容为参考值)。为进一步研究动态压缩过程中可能存在的绝热温升及其影响，通过对绝热温升的计算得到了TC17钛合金的绝热温升随应变率的变化情况(图7)。由图7可知，在相同实验温度条件下试样的绝热温升随着应变率的增大而逐渐增加，特别是当应变率为10 000 s-1时，温升现象最显著。绝热温升的存在会引起材料的应变软化。随着实验温度的升高，绝热温升表现出总体降低的趋势。当实验温度由300 ℃升高到700 ℃时，绝热温升下降最明显，由其引起的应变软化效应也随之减弱。

图7 不同温度条件下TC17钛合金的绝热温升随应变率的变化(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)

图8所示为TC17钛合金动态压缩过程中绝热温度和真实应力之间的相互关系。由图8可知，随着材料应变量的增大其真实应力不断升高，这与材料塑性变形时产生的热能不断积累有关。这种现象在高应变率、低温时较为明显(图8b～图8d)。由于合金中固溶原子向位错周围扩散和聚集[13]，在高温、高应变率下，真实应力随应变的变化表现出先增大后减小的趋势(图8b～图8c)。

3 结论

(1)当应变率为3000 s-1时，TC17钛合金具有显著的应变硬化效应，真实应力随真实应变的变化较大。但是，当应变率达到5000s-1之后，其应变硬化效应较弱。同时，当实验温度不断升高时，其应变硬化效应会明显减弱。

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000 s-1图8 不同应变率下TC17钛合金的流动应力随绝热温度的变化Fig.8 The change of flow stress of TC17 titanium alloy with different strain rate

(2)TC17钛合金表现出了一定的应变率强化效应，其最大压缩应变随着应变率的增大而增大。但在温度升高过程中其应变率敏感性不显著，其应变率敏感性随着实验温度的升高而先减小后增大。

(3)TC17钛合金的动态压缩力学行为受温度的影响非常明显，温度敏感性因子随温度的升高而大幅度增大。但是，当应变率为10 000 s-1、实验温度达到700 ℃时，实验温度对其动态压缩力学行为的影响较小。而当实验温度低于500 ℃时，TC17钛合金的绝热温升变化比较显著。

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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

国家自然科学基金资助项目(51405294,51605161,51675204)

(编辑胡佳慧)

牛秋林，男，1983年生。湖南科技大学机电工程学院讲师、博士。主要研究方向为难加工材料高速切削、超声振动辅助加工和难加工材料本构关系建模。发表论文近20篇。E-mail: qlniu2009@163.com。陈明，男，1966年生。上海交通大学机械与动力工程学院教授、博士研究生导师。明伟伟，男，1982年生。上海交通大学机械与动力工程学院助理研究员。