基于余波分析的純鈦動(dòng)態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)

基于余波分析的純鈦動(dòng)態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)

鈦和鈦合金具有密度低、比強(qiáng)、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛于航空航天和國防領(lǐng)域。為了考慮極端條件下不可避免的影響負(fù)荷，我們了解了鈦和鈦合金高適應(yīng)率下動(dòng)態(tài)力學(xué)能的重要性。這種動(dòng)態(tài)試驗(yàn)是一個(gè)瞬態(tài)過程。在這個(gè)過程中，當(dāng)材料通過塑性變形時(shí)，產(chǎn)生的散熱性能轉(zhuǎn)化為一定的熱量時(shí)，它們在外部環(huán)境中擴(kuò)散，導(dǎo)致熱量上升。為了顯示材料的張力學(xué)性能的適應(yīng)性，必須將動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中的電壓適應(yīng)性曲線與準(zhǔn)靜態(tài)曲線進(jìn)行比較，并分析材料的力學(xué)性能的適應(yīng)性。事實(shí)上，它將絕熱過程與等溫過程混淆。為了顯示適應(yīng)性率和材料性能對動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的影響，必須通過影響變量橫截面的適應(yīng)性和熱耦合效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。在動(dòng)態(tài)條件下，需要確定等溫帶壓縮的等溫帶壓縮，并通過壓縮波偶化原理獲得等溫帶壓縮的等溫帶壓縮。為了研究動(dòng)態(tài)條件下的等溫帶壓縮，一些科學(xué)家在桿上控制了動(dòng)態(tài)壓縮中的等溫帶壓縮，并研究了影響壓縮中的動(dòng)態(tài)威脅的適應(yīng)性。夏元明等人通過控制桿橫截面加載脈沖的寬度來研究了動(dòng)態(tài)勘探、載荷釋放和脈沖無序的復(fù)元技術(shù)。然而，該技術(shù)在加載脈沖波的吸收和處理方面并不完善，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性有一定影響。為了研究高適應(yīng)性鈦的動(dòng)態(tài)擴(kuò)張率。在這項(xiàng)研究中，我們改進(jìn)了文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，得到了高適應(yīng)性鈦的等溫曲線，并通過比較動(dòng)態(tài)加熱曲線和等溫曲線來確定了高適應(yīng)性率下的加熱加熱和影響。1動(dòng)態(tài)工作特性本研究在旋轉(zhuǎn)式?jīng)_擊拉伸裝置上進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)裝置和試件形狀如圖1和圖2.旋轉(zhuǎn)盤(錘頭連接其上,圖中沒有畫出)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)錘頭打擊撞擊塊,帶動(dòng)金屬短桿發(fā)生變形并在入射桿中傳遞一個(gè)入射脈沖,入射脈沖到達(dá)試件時(shí)變?yōu)橥干洳ê头瓷洳?分別向前和向后傳遞,通過粘貼在桿上的應(yīng)變片可測得入射波、透射波和反射波,利用一維簡單波實(shí)驗(yàn)原理可獲得試件材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線.在該裝置中,加載脈沖的寬度和幅值可通過金屬短桿的長度和直徑調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)變率的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn).當(dāng)加載脈沖的時(shí)間足夠短時(shí),可使試件在沒有破壞之前產(chǎn)生卸載,從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)加卸載實(shí)驗(yàn).為得到動(dòng)態(tài)下的等溫應(yīng)力應(yīng)變曲線,可對同一試件實(shí)施多次加卸載,每次加卸載均可得到一條應(yīng)力應(yīng)變曲線,如圖3.將相鄰兩條曲線首尾相接,并連接各曲線的屈服點(diǎn),可得由多個(gè)屈服點(diǎn)連接而成的應(yīng)力應(yīng)變曲線,如曲線1.由于在每次加卸載試驗(yàn)中,應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)前材料的變形屬于彈性變形,沒有絕熱溫升產(chǎn)生,所以曲線1即為該應(yīng)變率下的等溫應(yīng)力應(yīng)變曲線.上述方法即為動(dòng)態(tài)拉伸復(fù)元技術(shù).利用此技術(shù)獲得動(dòng)態(tài)等溫曲線和一般動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)獲得的動(dòng)態(tài)絕熱曲線(曲線2,通過一次加載拉斷試件得到的曲線)進(jìn)行對比,可分析動(dòng)態(tài)過程中的絕熱溫升效應(yīng).在加卸載試驗(yàn)中,從入射桿和試件端面產(chǎn)生的反射波會(huì)在入射桿中形成多次來回反射.如果不能將這些余波濾去,必將造成試件的后續(xù)多次加載.余波的幅值較大時(shí),則有可能在一次加載中使試件多次進(jìn)入塑性狀態(tài).如圖4(a),由于二次加載波的作用,試件被再次加載進(jìn)入塑性,出現(xiàn)第2個(gè)透射波峰,且由于塑性的強(qiáng)化效應(yīng),第2個(gè)透射波峰高于第1個(gè)透射波峰.由于在復(fù)元法中每次加載只能考慮第一個(gè)加載波的作用,因此得到的動(dòng)態(tài)等溫曲線是不準(zhǔn)確的.本文在文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,在入射桿的前端和透射桿的末端都加上余波吸收器(如圖1).改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)波形如圖4(b).由圖可見,吸收器有效濾去了余波的影響,透射波波形顯示試件在一次加載后沒有再次進(jìn)入塑性,從而保證了動(dòng)態(tài)加卸載實(shí)驗(yàn)的可靠性.2純鈦熱效能的能耗轉(zhuǎn)化利用上述復(fù)元法,獲得了純鈦(Fe、C、N、O和S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.12%、0.04%、0.02%、0.007%、0.07%和0.04%,其余為Ti)在應(yīng)變率為300/s時(shí)的等溫應(yīng)力應(yīng)變曲線(圖3中曲線1).比較該應(yīng)變率下的絕熱應(yīng)力應(yīng)變曲線(圖3中曲線2)可以看到,曲線2的流動(dòng)應(yīng)力明顯低于曲線1,降低的流動(dòng)應(yīng)力正是動(dòng)態(tài)過程中耗散功產(chǎn)生的絕熱溫升導(dǎo)致材料發(fā)生高溫軟化引起的.對不同材料進(jìn)行壓縮復(fù)元實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),耗散功并非全部轉(zhuǎn)化為熱能,不同材料的轉(zhuǎn)化率也是不同的.為確定溫度對流動(dòng)應(yīng)力的軟化效應(yīng),本實(shí)驗(yàn)在25、150和250℃下對純鈦進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸,得到塑性應(yīng)力塑性應(yīng)變?nèi)鐖D5.從中可見,純鈦流動(dòng)應(yīng)力隨溫度升高驟降.本研究采用Johnson-Cook模型描述純鈦在不同溫度下的塑性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為σΡ=(σ0+BεnΡ)[1+C(lnεε0)m]?(1-D(t-tftm-tf)k)(1)式(1)右邊首項(xiàng)用以表征應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng),第2項(xiàng)表征應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng),第3項(xiàng)表征溫度軟化效應(yīng).其中σP、εP、ε和t分別為塑性應(yīng)力、塑性應(yīng)變、實(shí)驗(yàn)應(yīng)變率和實(shí)驗(yàn)溫度;σ0、ε0、tf和tm分別為參考狀態(tài)的屈服應(yīng)力、應(yīng)變率、溫度和材料的熔點(diǎn);B、C、D、n、m和k是常數(shù).取ε0=0.001s-1,tf=25℃,取σ0為25℃下的屈服應(yīng)力(271MPa),鈦熔點(diǎn)tm=1668℃,則其在應(yīng)變率ε=0.001s-1時(shí)變?yōu)棣姚?(271+BεnΡ)(1-D(t-251643)k)(2)由擬合曲線可得B=0.379,D=5.05,n=0.341,k=1.17.將其代入式(2),可得擬合應(yīng)力應(yīng)變曲線(圖5),且與實(shí)驗(yàn)曲線吻合,可見該模型能很好地描述溫度對純鈦流動(dòng)應(yīng)力的影響.基于上述模型,可進(jìn)一步考察耗散功向熱能的轉(zhuǎn)化比率.如圖6,當(dāng)試件通過等溫曲線被拉伸到達(dá)某一應(yīng)變?chǔ)臟處,耗散的塑性功WK可由陰影部分面積算得.假設(shè)耗散功向熱能轉(zhuǎn)化的比率為A,則可利用比熱公式得到絕熱溫升為AWK=ρcΔt(3)其中,ρ和c分別為純鈦的密度(4507kg/m3)和比熱容(520J/(kg·K));Δt為絕熱溫升.由Δt和式(2)可得絕熱溫升軟化后的應(yīng)力值為σ′Κ=σΚ(1-D(t+Δt-251643)k)(4)其中,σK為等溫曲線上的應(yīng)力值.將不同應(yīng)變下得到的絕熱應(yīng)力與實(shí)際應(yīng)力值(即圖6中的絕熱曲線)進(jìn)行比較,當(dāng)計(jì)算值和實(shí)際值符合一致時(shí),所假設(shè)的熱能轉(zhuǎn)化比率A即為真實(shí)數(shù)值.采用上述方法,最終確定熱能轉(zhuǎn)化比率A值約為60%,由此計(jì)算的絕熱曲線如圖7.可見,按此轉(zhuǎn)化率計(jì)算的絕熱曲線與實(shí)驗(yàn)所得絕熱曲線吻合(圖7中只計(jì)算至ε=0.162,因該應(yīng)變值對應(yīng)的應(yīng)力為最大應(yīng)力,大于此應(yīng)變后試件開始出現(xiàn)頸縮,試件中的應(yīng)力不均勻;圖7中同時(shí)給出A=100%時(shí)的絕熱曲線作比較).沒有轉(zhuǎn)化為熱能的塑性耗散功轉(zhuǎn)化為何種形式的能量,對材料性能有何影響,尚待進(jìn)一步探索.純鈦熱值法4.2熱解藕實(shí)驗(yàn)綜上研究可知:①本文在沖擊拉伸試驗(yàn)機(jī)的基礎(chǔ)上加上余波吸收器,有效消除余波對試件的二次加載,成功實(shí)現(xiàn)了純鈦動(dòng)態(tài)拉伸加卸載實(shí)驗(yàn);②在動(dòng)態(tài)加卸載基礎(chǔ)上發(fā)展了動(dòng)態(tài)拉伸復(fù)元法,成功獲得純