0. 引言

純鈦具有比強度高、耐腐蝕性好、熱穩定性和焊接性能良好等優點,廣泛用于航空航天、核工業、生物材料、海洋工程等領域[1-2]。在實際服役過程中,工程裝備如換熱設備等不僅承受頻繁啟停和變負荷導致的機械及熱應力循環載荷,還承受著穩態運行引起的蠕變載荷,從而導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,進而影響設備的安全運行[5]。此外,設備在服役時還會受到不同加載速率的循環載荷影響[6-7]。因此,開展工業純鈦的蠕變-棘輪交互作用及時間相關性棘輪行為的研究具有重要的工程意義。

近年來,許多學者針對純鈦材料的時間相關性變形行為進行了研究。ZENG等[8]和PENG等[9]通過不同應變速率下的單軸拉伸試驗發現,室溫下純鈦的拉伸行為對應變速率較為敏感。金屬材料的蠕變行為通常在高溫下發生[10-13],但是純鈦在室溫下就出現了明顯的蠕變現象[14-15]。對此,學者們開展了研究,發現純鈦在室溫下的蠕變變形機制非常復雜,包括晶內的位錯運動、孿晶變形及晶界滑移等[16-17]。此外,純鈦在非對稱應力控制循環載荷下具有顯著的棘輪行為[18-19]。CHANG等[20]研究發現,平均應力、應力幅和峰值應力的增加都會促進室溫下工業純鈦的棘輪行為,但該研究未考慮應力速率的影響。PENG等[21]研究發現,在保載循環（在循環過程中保持恒定峰值或谷值應力一段時間）條件下,高應力下工業純鈦的蠕變和棘輪行為顯著,低應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,未考慮其他循環變形加載方式的影響。

目前,對于工業純鈦的時間相關棘輪行為仍缺乏系統的研究,有關應力速率、峰/谷值應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棘輪行為也尚未厘清。為此,作者在室溫下對TA2純鈦進行了一系列單軸非對稱應力控制循環變形試驗,研究了應力水平、應力速率、峰/谷值應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純鈦的時間相關本構模型提供數據支撐。

1. 試樣制備與試驗方法

試驗材料為直徑22mm的TA2純鈦棒材,由寶雞鈦業股份有限公司提供,供貨狀態為熱加工態（R）,化學成分（質量分數/%）為0.16Fe,<0.01C,<0.01N,0.001H,0.15O,<0.40雜質元素（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,標距段直徑10mm,長度30mm。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行熱處理,溫度為650℃,保溫1h空冷。

圖 1試樣的形狀和尺寸

Figure 1.Shape and size of specimen

采用MTS809型液壓伺服材料試驗機在室溫下對試樣分別進行不同應變速率（10−3,10−4s−1）的單調拉伸試驗、不同應力（420,460MPa）下的蠕變試驗以及不同加載工況下的非對稱應力控制循環變形試驗,采用MTS634.31F-24型應變引伸計測量軸向應變,量程為−10%~20%。非對稱應力控制循環變形試驗參數如表1所示。

為了與峰值應力保持10s下的非對稱應力控制循環變形試驗保持相同的總蠕變時間,將蠕變階段設置為1000s。考慮蠕變-棘輪交替進行的影響,分別進行先拉-壓循環變形后蠕變試驗（即循環100周次后,再蠕變1000s,蠕變應力為循環時的峰值應力）和先蠕變后拉-壓循環變形試驗（即蠕變1000s后,再循環100周次,蠕變應力為循環時的峰值應力）。文中所指應力和應變均為工程應力和工程應變。

2. 試驗結果與討論

2.1 單調拉伸與蠕變行為

由圖2可以看出：TA2純鈦的單調拉伸曲線具有明顯的屈服平臺；隨著應變速率從10−4s−1增加到10−3s−1時,TA2純鈦的屈服強度由348MPa升高至382MPa,說明TA2純鈦的單調拉伸行為具有顯著的應變速率敏感性。

圖 2不同應變速率下單調拉伸時TA2純鈦的應力-應變曲線

Figure 2.Stress-strain curves of TA2 pure titanium during uniaxial tension at different strain rates

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,應變隨時間延長而增加。在蠕變第一階段,蠕變應變先快速增加后增速變緩,即蠕變速率逐漸減慢；進入蠕變第二階段后,蠕變速率保持穩定。應力水平越高,相同蠕變時間內蠕變應變增加幅度越大,蠕變速率越高,蠕變更快進入穩定增長階段。這與CHANG等[22]得到的TA2工業純鈦室溫蠕變現象一致。

圖 3不同應力水平下TA2純鈦的蠕變曲線

Figure 3.Creep curves of TA2 pure titanium under different stress levels

2.2 棘輪行為

2.2.1 應力水平對棘輪行為的影響

由圖4可以看出,不同應力水平（平均應力±應力幅）下拉-拉、拉-壓循環加載時,TA2純鈦的應變均隨著循環次數的增加而增大。拉-拉循環變形下的滯回環面積極小,未產生負向的塑性應變,這是因為TA2純鈦出現黏塑性變形,黏塑性變形主要由蠕變主導,這部分應變在卸載后沒有回復,導致了棘輪變形的快速累積。拉-壓循環變形下的滯回環面積較大,這是因為TA2純鈦在卸載后的反向壓縮階段發生反向屈服,出現壓縮方向的塑性變形,減慢了棘輪變形的累積。

圖 4不同工況循環變形時TA2純鈦的應力-應變曲線

Figure 4.Stress-strain curves of TA2 pure titanium during cyclic deformation under different working conditions: (a) tension-tension cyclic deformation and (b) tension-compression cyclic deformation

由圖5可以看到：在拉-拉和拉-壓循環變形兩種工況下,棘輪應變均在循環初始階段快速累積,棘輪應變速率迅速減小,當循環次數超過10周次后棘輪應變緩慢增長,棘輪應變速率緩慢降低；隨著平均應力或應力幅增加,棘輪應變和棘輪應變速率均增大；在拉-壓循環加載工況下,當峰值應力保持不變時平均應力越大,棘輪應變越大,說明平均應力對棘輪應變的影響比應力幅顯著。

圖 5不同工況循環變形時TA2純鈦的棘輪應變隨循環次數的變化曲線

Figure 5.Ratcheting strain vs cycling number curves of TA2 pure titanium during cyclic deformation under different working conditions: (a) tension-tension cyclic deformation and (b) tension-compression cyclic deformation

2.2.2 應力速率對棘輪行為的影響

由圖6和圖7可以看到,無論是拉-拉還是拉-壓循環變形,TA2純鈦的應變及滯回環面積均隨著應力速率的降低明顯增大。不同應力速率下,TA2純鈦的棘輪行為存在明顯的時間相關性,即應力速率越低,棘輪應變速率和棘輪應變均越大,這主要是因為在較低的應力速率下,每周次循環的加載時間長,使得材料蠕變變形得到充分發展。

圖 6拉-拉和 拉-壓循環變形時TA2純鈦的應力-應變滯回曲線

Figure 6.Stress-strain hysteresis curves of TA2 pure titanium during tension-tension (a–c) and tension-compression (d–f) cyclic deformation: (a, d) the first cycle; (b, e) the 10th cycle and (c, f) the 100th cycle

圖 7不同應力速率下拉-拉和拉-壓循環變形時TA2純鈦的棘輪應變隨循環次數的變化曲線

Figure 7.Ratcheting strain vs cycling number curves of TA2 pure titanium during tension-tension (a) and tension-compression (b) cyclic deformation under different stress rates

2.2.3 峰/谷值應力保持時間對棘輪行為的影響

由圖8和圖9可知：TA2純鈦的應變在峰值應力保持期間持續增加,在谷值應力保持期間明顯回復；與只有峰值應力保持的工況相比,峰/谷值應力同時保持的工況下相同循環次數下應變明顯降低,滯回環面積增大；峰值應力保持時間越長,TA2純鈦的棘輪應變和棘輪應變速率均越大。只有峰值應力保持工況的棘輪應變高于峰/谷值應力同時保持的工況,這是由于增加谷值應力保持階段后,材料在反向屈服狀態下的塑性應變會有更多的回復。另外,具有峰值應力保持工況的棘輪應變均明顯高于無應力保持工況,這主要是因為在峰值應力保持作用下,材料的黏塑性變形得到充分發展。

圖 8峰/谷值應力保載循環時TA2純鈦的應力-應變滯回曲線

Figure 8.Stress-strain hysteresis curves of TA2 pure titanium during peak/valley stress load-holding cycle: (a) holding peak stress for 20s and (b) holding peak and valley stresses for 20s

圖 9不同保載形式和時間下TA2純鈦的棘輪應變隨循環次數的變化曲線

Figure 9.Ratcheting strain vs cycling number curves of TA2 pure titanium under different load-holding forms and times

2.2.4 加載歷史對棘輪行為的影響

由圖10可知,TA2純鈦的棘輪行為顯著受加載歷史影響。第一級加載到第二級加載,第二級加載到第三級加載時棘輪應變均有明顯升高,第三級加載到第四級加載時棘輪應變輕微增長,說明低應力水平加載歷史對后續高應力水平下的棘輪應變和棘輪應變速率影響較小,高應力水平下的棘輪應變增量和棘輪應變速率仍增大,但高應力水平的加載歷史會使后續低應力水平的棘輪應變增量和棘輪應變速率明顯降低。

圖 10不同應力水平4級加載循環時TA2純鈦的棘輪應變隨循環次數的變化曲線

Figure 10.Ratcheting strain vs cycling number curves of TA2 pure titanium during four stage loading cycle under different stress levels: (a) variable mean stresses and (b) various stress amplitudes

由圖11（a）可以看到,TA2純鈦在蠕變1000s后進行拉-壓循環加載時,前幾個循環周次下的最大應變均低于蠕變1000s時的應變,這主要是因為循環變形包含壓縮方向的塑性變形,導致當載荷加載到最大應力水平時應變無法回復到蠕變結束時的水平。在第10個循環之后,最大應變隨著循環次數增加而緩慢增加,這主要是由循環塑性變形的累積導致的。由圖11（b）可以看到,TA2純鈦在先拉-壓循環100周次后,應變僅為2%,隨后蠕變1000s,應變增加了2.73%,說明該變形過程中蠕變變形的影響更加顯著。

圖 11蠕變-循環變形交替工況下TA2純鈦的應變-時間曲線

Figure 11.Strain-time curves of TA2 pure titanium under alternating creep and cyclic deformation: (a) creep for 1000s and then cyclic loading for 100 cycles and (b) cyclic loading for 100 cycles and then creep for 1000s

2.2.5 討論

根據不同保持時間下的棘輪變形,將棘輪應變分解成循環加載產生的塑性應變（循環塑性應變）和應力保持階段產生的應變（蠕變應變）,其中循環塑性應變就是無應力保持工況下的棘輪應變,蠕變應變是應力保持工況下的棘輪應變與無應力保持工況的棘輪應變之差。由圖12可知,蠕變應變與循環塑性應變均隨著循環次數的增加而增加,并且蠕變應變明顯高于循環塑性應變,說明蠕變變形對棘輪應變的貢獻要比循環變形顯著。

圖 12不同峰值應力保持時間下TA2純鈦的棘輪應變、蠕變應變與循環塑性應變隨循環次數的變化曲線

Figure 12.Ratcheting strain, creep strain and cyclic plastic strain vs cycling number curves of TA2 pure titanium under different peak stress holding times

由圖13可以看到：在變形前1000s內,先蠕變再循環變形工況的峰值應變遠高于另外兩種工況；在變形的最后時刻,先蠕變后循環變形與先循環變形后蠕變工況下的峰值應變相近,并且接近于蠕變1000s時的應變水平,說明蠕變變形在蠕變-棘輪交替過程中占據主導地位。峰值應力保持10s循環100周次工況下,循環后期的峰值應變比蠕變-循環變形交替工況的大,說明蠕變和棘輪的交替進行會促進塑性變形的發展。

圖 13不同蠕變-棘輪交替工況下TA2純鈦的峰值應變隨時間的變化曲線

Figure 13.Peak strain vs time curves of TA2 pure titanium under different creep and ratcheting alternating conditions

3. 結論

（1）TA2純鈦的屈服強度隨著應變速率的增加而增大,說明其單調變形行為具有較強的應變速率敏感性；蠕變應變隨著蠕變時間延長而增加,說明其具有顯著的蠕變行為。

（2）TA2純鈦表現出顯著的時間相關棘輪行為,具有應力水平、率相關性,且受應力保持時間和保持形式的影響。棘輪應變和應力-應變滯回環面積均隨著應力速率降低而增大；只有峰值應力保持工況的棘輪應變高于峰/谷值應力同時保持的工況,且保持時間越長,棘輪行為更明顯。

（3）TA2純鈦具有顯著的蠕變-棘輪交互作用。先蠕變后循環變形與先循環變形后蠕變的最終峰值應變接近且均低于具有峰值應力保持的工況,蠕變和棘輪的交替進行會促進塑性變形。

文章來源——材料與測試網