分享：室温下TA2纯钛的时间相关棘轮行为

0.   引言

纯钛具有比强度高、耐腐蚀性好、热稳定性和焊接性能良好等优点,广泛用于航空航天、核工业、生物材料、海洋工程等领域[1-2]。在实际服役过程中,工程装备如换热设备等不仅承受频繁启停和变负荷导致的机械及热应力循环载荷,还承受着稳态运行引起的蠕变载荷,从而导致材料的蠕变和棘轮变形[3-4]。蠕变与棘轮变形的共同作用会加快材料的损伤演化,进而影响设备的安全运行[5]。此外,设备在服役时还会受到不同加载速率的循环载荷影响[6-7]。因此,开展工业纯钛的蠕变-棘轮交互作用及时间相关性棘轮行为的研究具有重要的工程意义。 

近年来,许多学者针对纯钛材料的时间相关性变形行为进行了研究。ZENG等[8]和PENG等[9]通过不同应变速率下的单轴拉伸试验发现,室温下纯钛的拉伸行为对应变速率较为敏感。金属材料的蠕变行为通常在高温下发生[10-13],但是纯钛在室温下就出现了明显的蠕变现象[14-15]。对此,学者们开展了研究,发现纯钛在室温下的蠕变变形机制非常复杂,包括晶内的位错运动、孪晶变形及晶界滑移等[16-17]。此外,纯钛在非对称应力控制循环载荷下具有显著的棘轮行为[18-19]。CHANG等[20]研究发现,平均应力、应力幅和峰值应力的增加都会促进室温下工业纯钛的棘轮行为,但该研究未考虑应力速率的影响。PENG等[21]研究发现,在保载循环（在循环过程中保持恒定峰值或谷值应力一段时间）条件下,高应力下工业纯钛的蠕变和棘轮行为显著,低应力下蠕变和棘轮行为减弱。但是,该研究的加载方式为拉伸-卸载循环,未考虑其他循环变形加载方式的影响。 

目前,对于工业纯钛的时间相关棘轮行为仍缺乏系统的研究,有关应力速率、峰/谷值应力保持时间和保持形式等因素对棘轮行为的影响研究较少,同时蠕变-棘轮交互作用下的时间相关棘轮行为也尚未厘清。为此,作者在室温下对TA2纯钛进行了一系列单轴非对称应力控制循环变形试验,研究了应力水平、应力速率、峰/谷值应力保持时间和保持形式以及加载历史等多种因素对棘轮行为的影响,以期为建立TA2纯钛的时间相关本构模型提供数据支撑。 

1.   试样制备与试验方法

试验材料为直径22 mm的TA2纯钛棒材,由宝鸡钛业股份有限公司提供,供货状态为热加工态（R）,化学成分（质量分数/%）为0.16Fe,<0.01C,<0.01N,0.001H,0.15O,<0.40杂质元素（Mg,Al等）,余Ti。按照GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》加工出如图1所示的试样,标距段直径10 mm,长度30 mm。按照GB/T 2965—2007《钛及钛合金棒材》在GSL-1100X型管式炉中对试样进行热处理,温度为650 ℃,保温1 h空冷。 

图  1  试样的形状和尺寸

Figure  1.  Shape and size of specimen

采用MTS809型液压伺服材料试验机在室温下对试样分别进行不同应变速率（10−3,10−4 s−1）的单调拉伸试验、不同应力（420,460 MPa）下的蠕变试验以及不同加载工况下的非对称应力控制循环变形试验,采用MTS634.31F-24型应变引伸计测量轴向应变,量程为−10%~20%。非对称应力控制循环变形试验参数如表1所示。 

为了与峰值应力保持10 s下的非对称应力控制循环变形试验保持相同的总蠕变时间,将蠕变阶段设置为1 000 s。考虑蠕变-棘轮交替进行的影响,分别进行先拉-压循环变形后蠕变试验（即循环100周次后,再蠕变1 000 s,蠕变应力为循环时的峰值应力）和先蠕变后拉-压循环变形试验（即蠕变1 000 s后,再循环100周次,蠕变应力为循环时的峰值应力）。文中所指应力和应变均为工程应力和工程应变。 

2.   试验结果与讨论

2.1   单调拉伸与蠕变行为

由图2可以看出：TA2纯钛的单调拉伸曲线具有明显的屈服平台；随着应变速率从10−4 s−1增加到10−3 s−1时,TA2纯钛的屈服强度由348 MPa升高至382 MPa,说明TA2纯钛的单调拉伸行为具有显著的应变速率敏感性。 

图  2  不同应变速率下单调拉伸时TA2纯钛的应力-应变曲线

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

由图3可以看出,TA2纯钛在室温下具有明显的蠕变变形行为,应变随时间延长而增加。在蠕变第一阶段,蠕变应变先快速增加后增速变缓,即蠕变速率逐渐减慢；进入蠕变第二阶段后,蠕变速率保持稳定。应力水平越高,相同蠕变时间内蠕变应变增加幅度越大,蠕变速率越高,蠕变更快进入稳定增长阶段。这与CHANG等[22]得到的TA2工业纯钛室温蠕变现象一致。 

图  3  不同应力水平下TA2纯钛的蠕变曲线

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

2.2   棘轮行为

2.2.1   应力水平对棘轮行为的影响

由图4可以看出,不同应力水平（平均应力±应力幅）下拉-拉、拉-压循环加载时,TA2纯钛的应变均随着循环次数的增加而增大。拉-拉循环变形下的滞回环面积极小,未产生负向的塑性应变,这是因为TA2纯钛出现黏塑性变形,黏塑性变形主要由蠕变主导,这部分应变在卸载后没有回复,导致了棘轮变形的快速累积。拉-压循环变形下的滞回环面积较大,这是因为TA2纯钛在卸载后的反向压缩阶段发生反向屈服,出现压缩方向的塑性变形,减慢了棘轮变形的累积。 

图  4  不同工况循环变形时TA2纯钛的应力-应变曲线

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

由图5可以看到：在拉-拉和拉-压循环变形两种工况下,棘轮应变均在循环初始阶段快速累积,棘轮应变速率迅速减小,当循环次数超过10周次后棘轮应变缓慢增长,棘轮应变速率缓慢降低；随着平均应力或应力幅增加,棘轮应变和棘轮应变速率均增大；在拉-压循环加载工况下,当峰值应力保持不变时平均应力越大,棘轮应变越大,说明平均应力对棘轮应变的影响比应力幅显著。 

图  5  不同工况循环变形时TA2纯钛的棘轮应变随循环次数的变化曲线

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   应力速率对棘轮行为的影响

由图6和图7可以看到,无论是拉-拉还是拉-压循环变形,TA2纯钛的应变及滞回环面积均随着应力速率的降低明显增大。不同应力速率下,TA2纯钛的棘轮行为存在明显的时间相关性,即应力速率越低,棘轮应变速率和棘轮应变均越大,这主要是因为在较低的应力速率下,每周次循环的加载时间长,使得材料蠕变变形得到充分发展。 

图  6  拉-拉和 拉-压循环变形时TA2纯钛的应力-应变滞回曲线

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

图  7  不同应力速率下拉-拉和拉-压循环变形时TA2纯钛的棘轮应变随循环次数的变化曲线

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/谷值应力保持时间对棘轮行为的影响

由图8和图9可知：TA2纯钛的应变在峰值应力保持期间持续增加,在谷值应力保持期间明显回复；与只有峰值应力保持的工况相比,峰/谷值应力同时保持的工况下相同循环次数下应变明显降低,滞回环面积增大；峰值应力保持时间越长,TA2纯钛的棘轮应变和棘轮应变速率均越大。只有峰值应力保持工况的棘轮应变高于峰/谷值应力同时保持的工况,这是由于增加谷值应力保持阶段后,材料在反向屈服状态下的塑性应变会有更多的回复。另外,具有峰值应力保持工况的棘轮应变均明显高于无应力保持工况,这主要是因为在峰值应力保持作用下,材料的黏塑性变形得到充分发展。 

图  8  峰/谷值应力保载循环时TA2纯钛的应力-应变滞回曲线

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

图  9  不同保载形式和时间下TA2纯钛的棘轮应变随循环次数的变化曲线

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

2.2.4   加载历史对棘轮行为的影响

由图10可知,TA2纯钛的棘轮行为显著受加载历史影响。第一级加载到第二级加载,第二级加载到第三级加载时棘轮应变均有明显升高,第三级加载到第四级加载时棘轮应变轻微增长,说明低应力水平加载历史对后续高应力水平下的棘轮应变和棘轮应变速率影响较小,高应力水平下的棘轮应变增量和棘轮应变速率仍增大,但高应力水平的加载历史会使后续低应力水平的棘轮应变增量和棘轮应变速率明显降低。 

图  10  不同应力水平4级加载循环时TA2纯钛的棘轮应变随循环次数的变化曲线

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

由图11（a）可以看到,TA2纯钛在蠕变1 000 s后进行拉-压循环加载时,前几个循环周次下的最大应变均低于蠕变1 000 s时的应变,这主要是因为循环变形包含压缩方向的塑性变形,导致当载荷加载到最大应力水平时应变无法回复到蠕变结束时的水平。在第10个循环之后,最大应变随着循环次数增加而缓慢增加,这主要是由循环塑性变形的累积导致的。由图11（b）可以看到,TA2纯钛在先拉-压循环100周次后,应变仅为2%,随后蠕变1 000 s,应变增加了2.73%,说明该变形过程中蠕变变形的影响更加显著。 

图  11  蠕变-循环变形交替工况下TA2纯钛的应变-时间曲线

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   讨论

根据不同保持时间下的棘轮变形,将棘轮应变分解成循环加载产生的塑性应变（循环塑性应变）和应力保持阶段产生的应变（蠕变应变）,其中循环塑性应变就是无应力保持工况下的棘轮应变,蠕变应变是应力保持工况下的棘轮应变与无应力保持工况的棘轮应变之差。由图12可知,蠕变应变与循环塑性应变均随着循环次数的增加而增加,并且蠕变应变明显高于循环塑性应变,说明蠕变变形对棘轮应变的贡献要比循环变形显著。 

图  12  不同峰值应力保持时间下TA2纯钛的棘轮应变、蠕变应变与循环塑性应变随循环次数的变化曲线

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

由图13可以看到：在变形前1 000 s内,先蠕变再循环变形工况的峰值应变远高于另外两种工况；在变形的最后时刻,先蠕变后循环变形与先循环变形后蠕变工况下的峰值应变相近,并且接近于蠕变1 000 s时的应变水平,说明蠕变变形在蠕变-棘轮交替过程中占据主导地位。峰值应力保持10 s循环100周次工况下,循环后期的峰值应变比蠕变-循环变形交替工况的大,说明蠕变和棘轮的交替进行会促进塑性变形的发展。 

图  13  不同蠕变-棘轮交替工况下TA2纯钛的峰值应变随时间的变化曲线

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

3.   结论

（1）TA2纯钛的屈服强度随着应变速率的增加而增大,说明其单调变形行为具有较强的应变速率敏感性；蠕变应变随着蠕变时间延长而增加,说明其具有显著的蠕变行为。 

（2）TA2纯钛表现出显著的时间相关棘轮行为,具有应力水平、率相关性,且受应力保持时间和保持形式的影响。棘轮应变和应力-应变滞回环面积均随着应力速率降低而增大；只有峰值应力保持工况的棘轮应变高于峰/谷值应力同时保持的工况,且保持时间越长,棘轮行为更明显。 

（3）TA2纯钛具有显著的蠕变-棘轮交互作用。先蠕变后循环变形与先循环变形后蠕变的最终峰值应变接近且均低于具有峰值应力保持的工况,蠕变和棘轮的交替进行会促进塑性变形。

文章来源——材料与测试网