TC11 钛合金动态热塑互动行为研究

摘要： 利用分离式霍普金森压杆对TC11 钛合金平板帽形试样进行动态加载，基于高频红外点阵测温技术捕捉了剪切区温升随加载时间变化的历程，结合热传导理论分析和动态剪切数值模拟，分析了动态剪切过程中剪切区温升随时间和空间的分布规律。研究结果表明，在动态剪切加载下，TC11 钛合金表现出脆性的变形行为，剪切区最高温升为430 ℃，且在实验所覆盖的加载速率范围内，加载速率对动态剪切温升影响不明显；显著的温升主要集中在剪切区中心附近100 μm 量级区域内，温升区具有高度局部化的特征，且剪切区维持较高温度所持续的时间在10 μs 量级。理论研究和数值模拟发现，动态加载下剪切区内最高温度可达751 ℃，剪切区温度时空分布规律与实验结果保持一致。实验和数值模拟结果均显示，剪切区最高温升发生在材料断裂时刻，表明剪切区显著温升应来源于剪切变形造成的应变高度集中发展。

关键词： 动态剪切；钛合金；温升；热传导；分离式霍普金森压杆

中图分类号： O346 国标学科代码： 13015 文献标志码： A

TC11 为一种典型的α+β 型钛合金，其化学成分为Ti-Al（5.8～7.0）-Mo（2.8～3.8）-Zr（0.8～2.0）-Si（0.2～0. 35）。

该合金显现出优良的高温性能、低密度、高的室温强度以及高的损伤容限等，这些优异的性能促使TC11钛合金被广泛应用于航空航天、安全与防护以及生物等领域[1-5]。在实际的工程应用中，材料可能会经历诸如高速撞击等动态加载环境。局部化剪切变形是钛合金在动态加载下的一种典型变形形式，局部剪切变形包括剪切带的起始、扩展、演化成剪切裂纹以及最终断裂等阶段。在冲击加载下，钛合金中的塑性变形往往高度集中在一条或多条带状区域内，而材料在带状区域外的塑性变形很少甚至可以忽略不计。一方面，剪切带内容纳了大量的塑性变形，由塑性功转化产生大量的热量；另一方面，剪切带扩展的速度非常快，热量不能及时扩散到周围的介质中，这两方面将导致剪切带内产生较高的温升。已有的研究[6-10]表明，材料在动态加载下剪切带的起源与变形过程中材料的温升相关，此外，TC11 钛合金作为工程结构材料，过高的动态剪切温升可能会对结构的冲击安全性造成影响。因此，研究冲击加载下TC11 钛合金剪切温升随时间的变化规律以及在空间上的分布不仅具有学术价值，还具有重要的工程意义。

温度升高是材料在冲击载荷下剪切变形过程中最重要的特点，由于剪切带具有10 μm 量级的特征空间尺度以及微秒或10 μs 量级的时间尺度，使得剪切带温升研究具有极大的挑战性。在过去的几十年里，对剪切带温升的研究主要集中在高速测温实验技术、理论分析和多尺度数值模拟方面。实验研究方面，大多数的动态剪切温升实验研究都是针对Ti-6Al-4V （TC4） 这种最广泛应用的钛合金开展的[11-14]。Zhou 等[11] 于1996 年对TC4 钛合金在动态加载下的绝热剪切温升进行了实验研究，他们利用16 个InSb 红外探头组成的直线阵列对冲剪加载下的TC4 钛合金材料动态剪切温升进行了测量，发现剪切带内所测的最高温度为450 ℃，并且剪切带内最大温升随着撞击速度的增加近似呈线性增加。Liao 等[12]利用霍普金森扭杆进行了TC4 动态扭转实验，利用InSb 红外探头对动态扭转中产生的绝热剪切温升进行了测量，在剪切应变率为1 400 s−1 时，测得剪切带内的最高温度为550 ℃。Ranc 等[13] 同样利用霍普金森扭杆对TC4 材料进行了动态扭转实验，在低温区域（0～300 ℃） 采用32 个InSb 红外探头组成的直线点阵进行测温，在高温区域（800～1 700 ℃） 采用增强型红外CCD，发现剪切带内最高温度高达1 100 ℃。受测试方法、测试精度和加载方式的影响，TC4 钛合金动态剪切温升的测量结果存在很大的分散性。数值模拟方面，Zhou 等[11] 用有限元方法研究了冲击载荷下TC4 预制缺口平板剪切带的产生和扩展，得到了一定冲击速度下不同时刻沿剪切带方向的温度分布曲线。Chichili 等[15] 对有缺口的不锈钢圆筒试样在动态复合载荷下的剪切带行为进行了数值模拟，得到了试样中面的温度分布云图。李继承等[16] 对冲击载荷下921A 钢纯剪切帽状试件的SHPB（split Hopkinson pressure bar）进行了数值模拟，研究了试件的绝热剪切行为，分析了试件内绝热剪切带的产生、发展以及相应试件温度场分布。相比于TC4，TC11 钛合金具有更高的强度和更低的拉伸断裂应变，在动态加载下其剪切变形温升以及温度随时间和空间的变化规律仍需进一步研究。

本文中利用分离式霍普金森压杆加载装置和高频红外点阵测温装置对TC11 钛合金的动态剪切温升进行实验研究，进一步结合理论分析和数值模拟方法，获得TC11 钛合金在动态加载下剪切带内的最高温度以及温度在时间和空间上的分布规律。

1 实 验

1.1 实验设计

为实现动态加载过程中剪切带温升的测量，对传统的帽形试样构型进行改进，设计了平板剪切试样。此外，为防止平板试样在压缩载荷作用下发生面内失稳，设计了试样夹持装置。试样和夹持装置的照片如图1 所示，所有测试试样的厚度均为2 mm，剪切区高度1.0 mm，宽度0.2 mm。

动态剪切实验采用霍普金森压杆来完成，温度测量采用高频红外点阵测温装置来完成，实验加载和测试装置的主要构成示意图如图2 所示。霍普金森压杆装置主要包括：撞击杆驱动装置、测速仪、撞击杆、输入杆、输出杆、吸收杆、动态应变仪、数据采集仪等。实验过程中，平板剪切试样夹持在输入杆和输出杆之间，实验开始时，由压缩空气驱动撞击杆以一定的速度撞向输入杆，在输入杆中产生压缩应力波，当压缩应力波到达试样时，帽形凸起部分向下以一定速度运动，从而对帽形凸起部分与两边支撑部分之间的材料形成剪切加载。输入杆中的压缩应力波在试样两端产生反射和透射，利用应变计、动态应变仪等装置对输入杆上的入射波、反射波和输出杆上的透射波进行测试。然后依据一维应力波理论处理测得的数据，导出试样在特定应变率下的剪切载荷-位移曲线。试样中的剪切载荷和位移分别由下式得到：