0.   引言

純鈦具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、熱穩(wěn)定性和焊接性能良好等優(yōu)點(diǎn),廣泛用于航空航天、核工業(yè)、生物材料、海洋工程等領(lǐng)域[1-2]。在實(shí)際服役過(guò)程中,工程裝備如換熱設(shè)備等不僅承受頻繁啟停和變負(fù)荷導(dǎo)致的機(jī)械及熱應(yīng)力循環(huán)載荷,還承受著穩(wěn)態(tài)運(yùn)行引起的蠕變載荷,從而導(dǎo)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(huì)加快材料的損傷演化,進(jìn)而影響設(shè)備的安全運(yùn)行[5]。此外,設(shè)備在服役時(shí)還會(huì)受到不同加載速率的循環(huán)載荷影響[6-7]。因此,開展工業(yè)純鈦的蠕變-棘輪交互作用及時(shí)間相關(guān)性棘輪行為的研究具有重要的工程意義。 

近年來(lái),許多學(xué)者針對(duì)純鈦材料的時(shí)間相關(guān)性變形行為進(jìn)行了研究。ZENG等[8]和PENG等[9]通過(guò)不同應(yīng)變速率下的單軸拉伸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),室溫下純鈦的拉伸行為對(duì)應(yīng)變速率較為敏感。金屬材料的蠕變行為通常在高溫下發(fā)生[10-13],但是純鈦在室溫下就出現(xiàn)了明顯的蠕變現(xiàn)象[14-15]。對(duì)此,學(xué)者們開展了研究,發(fā)現(xiàn)純鈦在室溫下的蠕變變形機(jī)制非常復(fù)雜,包括晶內(nèi)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、孿晶變形及晶界滑移等[16-17]。此外,純鈦在非對(duì)稱應(yīng)力控制循環(huán)載荷下具有顯著的棘輪行為[18-19]。CHANG等[20]研究發(fā)現(xiàn),平均應(yīng)力、應(yīng)力幅和峰值應(yīng)力的增加都會(huì)促進(jìn)室溫下工業(yè)純鈦的棘輪行為,但該研究未考慮應(yīng)力速率的影響。PENG等[21]研究發(fā)現(xiàn),在保載循環(huán)（在循環(huán)過(guò)程中保持恒定峰值或谷值應(yīng)力一段時(shí)間）條件下,高應(yīng)力下工業(yè)純鈦的蠕變和棘輪行為顯著,低應(yīng)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(huán),未考慮其他循環(huán)變形加載方式的影響。 

目前,對(duì)于工業(yè)純鈦的時(shí)間相關(guān)棘輪行為仍缺乏系統(tǒng)的研究,有關(guān)應(yīng)力速率、峰/谷值應(yīng)力保持時(shí)間和保持形式等因素對(duì)棘輪行為的影響研究較少,同時(shí)蠕變-棘輪交互作用下的時(shí)間相關(guān)棘輪行為也尚未厘清。為此,作者在室溫下對(duì)TA2純鈦進(jìn)行了一系列單軸非對(duì)稱應(yīng)力控制循環(huán)變形試驗(yàn),研究了應(yīng)力水平、應(yīng)力速率、峰/谷值應(yīng)力保持時(shí)間和保持形式以及加載歷史等多種因素對(duì)棘輪行為的影響,以期為建立TA2純鈦的時(shí)間相關(guān)本構(gòu)模型提供數(shù)據(jù)支撐。 

1.   試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為直徑22 mm的TA2純鈦棒材,由寶雞鈦業(yè)股份有限公司提供,供貨狀態(tài)為熱加工態(tài)（R）,化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）為0.16Fe,<0.01C,<0.01N,0.001H,0.15O,<0.40雜質(zhì)元素（Mg,Al等）,余Ti。按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》加工出如圖1所示的試樣,標(biāo)距段直徑10 mm,長(zhǎng)度30 mm。按照GB/T 2965—2007《鈦及鈦合金棒材》在GSL-1100X型管式爐中對(duì)試樣進(jìn)行熱處理,溫度為650 ℃,保溫1 h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(yàn)機(jī)在室溫下對(duì)試樣分別進(jìn)行不同應(yīng)變速率（10−3,10−4 s−1）的單調(diào)拉伸試驗(yàn)、不同應(yīng)力（420,460 MPa）下的蠕變?cè)囼?yàn)以及不同加載工況下的非對(duì)稱應(yīng)力控制循環(huán)變形試驗(yàn),采用MTS634.31F-24型應(yīng)變引伸計(jì)測(cè)量軸向應(yīng)變,量程為−10%~20%。非對(duì)稱應(yīng)力控制循環(huán)變形試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。 

為了與峰值應(yīng)力保持10 s下的非對(duì)稱應(yīng)力控制循環(huán)變形試驗(yàn)保持相同的總?cè)渥儠r(shí)間,將蠕變階段設(shè)置為1 000 s。考慮蠕變-棘輪交替進(jìn)行的影響,分別進(jìn)行先拉-壓循環(huán)變形后蠕變?cè)囼?yàn)（即循環(huán)100周次后,再蠕變1 000 s,蠕變應(yīng)力為循環(huán)時(shí)的峰值應(yīng)力）和先蠕變后拉-壓循環(huán)變形試驗(yàn)（即蠕變1 000 s后,再循環(huán)100周次,蠕變應(yīng)力為循環(huán)時(shí)的峰值應(yīng)力）。文中所指應(yīng)力和應(yīng)變均為工程應(yīng)力和工程應(yīng)變。 

2.   試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1   單調(diào)拉伸與蠕變行為

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

圖  2  不同應(yīng)變速率下單調(diào)拉伸時(shí)TA2純鈦的應(yīng)力-應(yīng)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(yīng)變隨時(shí)間延長(zhǎng)而增加。在蠕變第一階段,蠕變應(yīng)變先快速增加后增速變緩,即蠕變速率逐漸減慢；進(jìn)入蠕變第二階段后,蠕變速率保持穩(wěn)定。應(yīng)力水平越高,相同蠕變時(shí)間內(nèi)蠕變應(yīng)變?cè)黾臃仍酱?蠕變速率越高,蠕變更快進(jìn)入穩(wěn)定增長(zhǎng)階段。這與CHANG等[22]得到的TA2工業(yè)純鈦室溫蠕變現(xiàn)象一致。 

圖  3  不同應(yīng)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(yīng)力水平對(duì)棘輪行為的影響

由圖4可以看出,不同應(yīng)力水平（平均應(yīng)力±應(yīng)力幅）下拉-拉、拉-壓循環(huán)加載時(shí),TA2純鈦的應(yīng)變均隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增大。拉-拉循環(huán)變形下的滯回環(huán)面積極小,未產(chǎn)生負(fù)向的塑性應(yīng)變,這是因?yàn)門A2純鈦出現(xiàn)黏塑性變形,黏塑性變形主要由蠕變主導(dǎo),這部分應(yīng)變?cè)谛遁d后沒(méi)有回復(fù),導(dǎo)致了棘輪變形的快速累積。拉-壓循環(huán)變形下的滯回環(huán)面積較大,這是因?yàn)門A2純鈦在卸載后的反向壓縮階段發(fā)生反向屈服,出現(xiàn)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(huán)變形時(shí)TA2純鈦的應(yīng)力-應(yīng)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(huán)變形兩種工況下,棘輪應(yīng)變均在循環(huán)初始階段快速累積,棘輪應(yīng)變速率迅速減小,當(dāng)循環(huán)次數(shù)超過(guò)10周次后棘輪應(yīng)變緩慢增長(zhǎng),棘輪應(yīng)變速率緩慢降低；隨著平均應(yīng)力或應(yīng)力幅增加,棘輪應(yīng)變和棘輪應(yīng)變速率均增大；在拉-壓循環(huán)加載工況下,當(dāng)峰值應(yīng)力保持不變時(shí)平均應(yīng)力越大,棘輪應(yīng)變?cè)酱?說(shuō)明平均應(yīng)力對(duì)棘輪應(yīng)變的影響比應(yīng)力幅顯著。 

圖  5  不同工況循環(huán)變形時(shí)TA2純鈦的棘輪應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)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(yīng)力速率對(duì)棘輪行為的影響

由圖6和圖7可以看到,無(wú)論是拉-拉還是拉-壓循環(huán)變形,TA2純鈦的應(yīng)變及滯回環(huán)面積均隨著應(yīng)力速率的降低明顯增大。不同應(yīng)力速率下,TA2純鈦的棘輪行為存在明顯的時(shí)間相關(guān)性,即應(yīng)力速率越低,棘輪應(yīng)變速率和棘輪應(yīng)變均越大,這主要是因?yàn)樵谳^低的應(yīng)力速率下,每周次循環(huán)的加載時(shí)間長(zhǎng),使得材料蠕變變形得到充分發(fā)展。 

圖  6  拉-拉和 拉-壓循環(huán)變形時(shí)TA2純鈦的應(yīng)力-應(yīng)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(yīng)力速率下拉-拉和拉-壓循環(huán)變形時(shí)TA2純鈦的棘輪應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)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(yīng)力保持時(shí)間對(duì)棘輪行為的影響

由圖8和圖9可知：TA2純鈦的應(yīng)變?cè)诜逯祽?yīng)力保持期間持續(xù)增加,在谷值應(yīng)力保持期間明顯回復(fù)；與只有峰值應(yīng)力保持的工況相比,峰/谷值應(yīng)力同時(shí)保持的工況下相同循環(huán)次數(shù)下應(yīng)變明顯降低,滯回環(huán)面積增大；峰值應(yīng)力保持時(shí)間越長(zhǎng),TA2純鈦的棘輪應(yīng)變和棘輪應(yīng)變速率均越大。只有峰值應(yīng)力保持工況的棘輪應(yīng)變高于峰/谷值應(yīng)力同時(shí)保持的工況,這是由于增加谷值應(yīng)力保持階段后,材料在反向屈服狀態(tài)下的塑性應(yīng)變會(huì)有更多的回復(fù)。另外,具有峰值應(yīng)力保持工況的棘輪應(yīng)變均明顯高于無(wú)應(yīng)力保持工況,這主要是因?yàn)樵诜逯祽?yīng)力保持作用下,材料的黏塑性變形得到充分發(fā)展。 

圖  8  峰/谷值應(yīng)力保載循環(huán)時(shí)TA2純鈦的應(yīng)力-應(yīng)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 20 s and (b) holding peak and valley stresses for 20 s

圖  9  不同保載形式和時(shí)間下TA2純鈦的棘輪應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)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(duì)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(jí)加載到第二級(jí)加載,第二級(jí)加載到第三級(jí)加載時(shí)棘輪應(yīng)變均有明顯升高,第三級(jí)加載到第四級(jí)加載時(shí)棘輪應(yīng)變輕微增長(zhǎng),說(shuō)明低應(yīng)力水平加載歷史對(duì)后續(xù)高應(yīng)力水平下的棘輪應(yīng)變和棘輪應(yīng)變速率影響較小,高應(yīng)力水平下的棘輪應(yīng)變?cè)隽亢图啈?yīng)變速率仍增大,但高應(yīng)力水平的加載歷史會(huì)使后續(xù)低應(yīng)力水平的棘輪應(yīng)變?cè)隽亢图啈?yīng)變速率明顯降低。 

圖  10  不同應(yīng)力水平4級(jí)加載循環(huán)時(shí)TA2純鈦的棘輪應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)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1 000 s后進(jìn)行拉-壓循環(huán)加載時(shí),前幾個(gè)循環(huán)周次下的最大應(yīng)變均低于蠕變1 000 s時(shí)的應(yīng)變,這主要是因?yàn)檠h(huán)變形包含壓縮方向的塑性變形,導(dǎo)致當(dāng)載荷加載到最大應(yīng)力水平時(shí)應(yīng)變無(wú)法回復(fù)到蠕變結(jié)束時(shí)的水平。在第10個(gè)循環(huán)之后,最大應(yīng)變隨著循環(huán)次數(shù)增加而緩慢增加,這主要是由循環(huán)塑性變形的累積導(dǎo)致的。由圖11（b）可以看到,TA2純鈦在先拉-壓循環(huán)100周次后,應(yīng)變僅為2%,隨后蠕變1 000 s,應(yīng)變?cè)黾恿?.73%,說(shuō)明該變形過(guò)程中蠕變變形的影響更加顯著。 

圖  11  蠕變-循環(huán)變形交替工況下TA2純鈦的應(yīng)變-時(shí)間曲線

Figure  11.  Strain-time curves of TA2 pure titanium under alternating creep and cyclic deformation: (a) creep for 1 000 s and then cyclic loading for 100 cycles and (b) cyclic loading for 100 cycles and then creep for 1 000 s

2.2.5   討論

根據(jù)不同保持時(shí)間下的棘輪變形,將棘輪應(yīng)變分解成循環(huán)加載產(chǎn)生的塑性應(yīng)變（循環(huán)塑性應(yīng)變）和應(yīng)力保持階段產(chǎn)生的應(yīng)變（蠕變應(yīng)變）,其中循環(huán)塑性應(yīng)變就是無(wú)應(yīng)力保持工況下的棘輪應(yīng)變,蠕變應(yīng)變是應(yīng)力保持工況下的棘輪應(yīng)變與無(wú)應(yīng)力保持工況的棘輪應(yīng)變之差。由圖12可知,蠕變應(yīng)變與循環(huán)塑性應(yīng)變均隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增加,并且蠕變應(yīng)變明顯高于循環(huán)塑性應(yīng)變,說(shuō)明蠕變變形對(duì)棘輪應(yīng)變的貢獻(xiàn)要比循環(huán)變形顯著。 

圖  12  不同峰值應(yīng)力保持時(shí)間下TA2純鈦的棘輪應(yīng)變、蠕變應(yīng)變與循環(huán)塑性應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)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1 000 s內(nèi),先蠕變?cè)傺h(huán)變形工況的峰值應(yīng)變遠(yuǎn)高于另外兩種工況；在變形的最后時(shí)刻,先蠕變后循環(huán)變形與先循環(huán)變形后蠕變工況下的峰值應(yīng)變相近,并且接近于蠕變1 000 s時(shí)的應(yīng)變水平,說(shuō)明蠕變變形在蠕變-棘輪交替過(guò)程中占據(jù)主導(dǎo)地位。峰值應(yīng)力保持10 s循環(huán)100周次工況下,循環(huán)后期的峰值應(yīng)變比蠕變-循環(huán)變形交替工況的大,說(shuō)明蠕變和棘輪的交替進(jìn)行會(huì)促進(jìn)塑性變形的發(fā)展。 

圖  13  不同蠕變-棘輪交替工況下TA2純鈦的峰值應(yīng)變隨時(shí)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(jié)論

（1）TA2純鈦的屈服強(qiáng)度隨著應(yīng)變速率的增加而增大,說(shuō)明其單調(diào)變形行為具有較強(qiáng)的應(yīng)變速率敏感性；蠕變應(yīng)變隨著蠕變時(shí)間延長(zhǎng)而增加,說(shuō)明其具有顯著的蠕變行為。 

（2）TA2純鈦表現(xiàn)出顯著的時(shí)間相關(guān)棘輪行為,具有應(yīng)力水平、率相關(guān)性,且受應(yīng)力保持時(shí)間和保持形式的影響。棘輪應(yīng)變和應(yīng)力-應(yīng)變滯回環(huán)面積均隨著應(yīng)力速率降低而增大；只有峰值應(yīng)力保持工況的棘輪應(yīng)變高于峰/谷值應(yīng)力同時(shí)保持的工況,且保持時(shí)間越長(zhǎng),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(huán)變形與先循環(huán)變形后蠕變的最終峰值應(yīng)變接近且均低于具有峰值應(yīng)力保持的工況,蠕變和棘輪的交替進(jìn)行會(huì)促進(jìn)塑性變形。

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