V5Cr5Ti的常溫動態(tài)壓縮力學(xué)性能*

謝若澤，胡文軍，陳成軍，潘曉霞，何 鵬，張方舉，陳 杰

（1.中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621900；

2.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621000）

V5Cr5Ti的常溫動態(tài)壓縮力學(xué)性能*

謝若澤1，胡文軍1，陳成軍1，潘曉霞1，何 鵬1，張方舉1，陳 杰2

（1.中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621900；

2.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621000）

采用分離式霍普金森壓桿（SHPB）裝置，在常溫下對V-5Cr-5Ti合金分別進(jìn)行了應(yīng)變率效應(yīng)試驗、限制應(yīng)變試驗和應(yīng)變累積的動態(tài)壓縮試驗；分析了應(yīng)變率、應(yīng)變累積對V-5Cr-5Ti合金動態(tài)壓縮性能的影響；并對壓縮試驗后的試件進(jìn)行了金相分析。結(jié)果表明，V-5Cr-5Ti合金具有明顯的應(yīng)變率和應(yīng)變歷史效應(yīng)，而應(yīng)變歷史對材料的動態(tài)壓縮性能的影響更明顯。在高應(yīng)變率下，應(yīng)變低于0.20時，出現(xiàn)孿晶組織；而應(yīng)變高于0.20時，孿晶組織急劇減少甚至消失。

固體力學(xué)；力學(xué)性能；動態(tài)壓縮；V-5Cr-5Ti合金；分離式霍普金森壓桿

1 引 言

金屬釩是典型的BCC結(jié)構(gòu)金屬，而釩合金由于具有低的輻照活化性、優(yōu)良的機(jī)械性能、與鋰的強(qiáng)兼容性、高的熱傳導(dǎo)率以及優(yōu)良的抗輻照性能，因而在核聚變反應(yīng)堆的壁層設(shè)計和殼體設(shè)計中具有較強(qiáng)的優(yōu)勢［1－2］。對釩及釩合金已進(jìn)行的研究工作多集中于材料制備和環(huán)境因素對材料性能的影響，如合金、雜質(zhì)元素以及熱處理工藝對合金性能的影響，釩合金的氫脆、氦脆性能，釩合金的高溫氧化問題，中子輻照、離子輻照等［1－6］。在力學(xué)性能方面，H.A.Aglan等［7］對釩合金的疲勞破壞行為進(jìn)行了研究，A.F.Rowcliffe等［8］研究了應(yīng)變率對 V-4Cr-4Ti拉伸性能的影響，S.Nemat-Nasser等［9］、郭偉國［10］研究了商業(yè)純釩在77～880K溫度范圍內(nèi)的靜、動態(tài)壓縮力學(xué)性能。研究表明：初始微結(jié)構(gòu)對純釩的初始流動影響強(qiáng)烈；低溫、高應(yīng)變率下，有絕熱剪切帶出現(xiàn)；應(yīng)變率為10－3s－1時，溫度超過500K時出現(xiàn)動態(tài)應(yīng)變時效現(xiàn)象。目前對釩合金的動態(tài)力學(xué)性能研究報道較少，而在產(chǎn)品全壽命周期中，結(jié)構(gòu)和材料將不可避免地經(jīng)受動態(tài)加載。了解釩合金等材料的動態(tài)力學(xué)性能對產(chǎn)品設(shè)計及產(chǎn)品安全有重要意義。

本文中，以釩合金V-5Cr-5Ti為研究對象，采用分離式霍普金森壓桿（SHPB）探討該材料在常溫下的動態(tài)壓縮力學(xué)性能，分別進(jìn)行應(yīng)變率效應(yīng)試驗、限制應(yīng)變試驗和應(yīng)變累積試驗，給出釩合金V-5Cr-5Ti的動態(tài)壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線、不同應(yīng)變時的組織形貌，并分析應(yīng)變歷史對材料性能的影響。

2 試 驗

2.1 試驗設(shè)備

試驗在?22mm的SHPB系統(tǒng)上進(jìn)行。子彈的撞擊速度由激光測速系統(tǒng)測定，試驗信號由粘貼于波導(dǎo)桿上的應(yīng)變片接受，通過動態(tài)應(yīng)變儀的電路放大后由示波器記錄。應(yīng)變片位于壓桿的中部，敏感柵絲方向與桿的軸線方向一致，應(yīng)變片電阻為120Ω，靈敏因數(shù)為2.14。采用K54超動態(tài)應(yīng)變儀進(jìn)行信號放大，頻帶寬為10Hz～1MHz；采用TDS540D數(shù)字存儲示波器記錄波形，頻帶寬為DC～500MHz，系統(tǒng)頻響可以滿足SHPB的測試要求。

2.2 應(yīng)變凍結(jié)法

試驗中，部分試件的變形采用應(yīng)變凍結(jié)法加以限制，以獲得指定的應(yīng)變值。即用1個高度略小于試件原始長度的鋼制限位環(huán)，套在試件外面；沖擊加載使試件產(chǎn)生變形，當(dāng)試件長度與限位環(huán)高度相同時，加載由限位環(huán)承受，試件不再產(chǎn)生大的變形，從而實現(xiàn)對試件變形的限制，見圖1。

2.3 試驗設(shè)計

根據(jù)Hopkinson壓桿的具體情況，將試件設(shè)計為直徑10mm、長5mm的圓柱形試件。根據(jù)試件尺寸，設(shè)計了多種高度的限位環(huán)。首先，測試了材料在不同應(yīng)變率范圍內(nèi)的動態(tài)壓縮力學(xué)性能；然后，在一種設(shè)定的應(yīng)變率下，利用應(yīng)變凍結(jié)法進(jìn)行了不同變形的動態(tài)壓縮試驗，并進(jìn)行了試驗后材料的解剖和光學(xué)顯微鏡觀察，以期獲得材料在不同變形下的組織特性；最后，采用應(yīng)變凍結(jié)法對試件進(jìn)行多次壓縮加載，研究材料的應(yīng)變累積效應(yīng)。

圖1 應(yīng)變凍結(jié)法示意圖Fig.1Schematic of strain freezing in the test

3 結(jié)果與討論

3.1 應(yīng)變率效應(yīng)

在10～30m／s的彈速范圍內(nèi)，測試了材料在不同應(yīng)變率范圍內(nèi)的動態(tài)壓縮力學(xué)性能。根據(jù)1維應(yīng)力波理論，對所得的入射波、透射波和反射波進(jìn)行處理，得到試件的工程應(yīng)力和工程應(yīng)變，再利用下列式子

計算得到試件的真實應(yīng)力σt和真實應(yīng)變εt，從而獲得材料的應(yīng)力－應(yīng)變－應(yīng)變率關(guān)系。式中：εs為試件的工程應(yīng)變，以壓為正；εt以壓為正。

試驗得到了V-5Cr-5Ti在102～103s－1應(yīng)變率范圍內(nèi)的動態(tài)壓縮應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。圖2為試驗前后試件的形貌。不同應(yīng)變率下的動態(tài)壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示。由圖3可見，V-5Cr-5Ti具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，材料的流變應(yīng)力隨著應(yīng)變率的升高而升高。如應(yīng)變率為770s－1時，材料的流變應(yīng)力（此處均指材料發(fā)生0.05應(yīng)變時的應(yīng)力）為661MPa；在應(yīng)變率為2 020s－1時，流變應(yīng)力為730MPa；在應(yīng)變率為3 560s－1時，流變應(yīng)力為784MPa，比應(yīng)變率770s－1時提高了19%；而材料在5.56×10－2s－1應(yīng)變率下發(fā)生0.05應(yīng)變時的應(yīng)力為543MPa。材料的流變應(yīng)力應(yīng)變率關(guān)系曲線如圖4所示。

圖2 試驗前后試件的形貌Fig.2 Specimens before and after the test

圖3 動態(tài)壓縮下V-5Cr-5Ti的真實應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 True stress-true strain curves of V-5Cr-5Ti

圖4 V-5Cr-5Ti流變應(yīng)力應(yīng)變率關(guān)系曲線Fig.4 Flow stress-strain rate curve of V-5Cr-5Ti

3.2 限制應(yīng)變試驗

在子彈速度為30.15m／s的加載條件下（試件應(yīng)變率為3 560s－1），利用名義高度分別為4.8、4.4、4.0、3.6mm 的限位環(huán)對幾個不同試件進(jìn)行了限制應(yīng)變試驗。各限位環(huán)對應(yīng)的名義應(yīng)變分別為0.04、0.12、0.20和0.28；不加限位環(huán)的試驗中，試件自由變形，應(yīng)變可達(dá)0.50以上。

圖5為限制應(yīng)變試驗中各試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線。當(dāng)限制應(yīng)變較?。?.04）時，獲得的應(yīng)力應(yīng)變曲線不理想，圖中沒有給出。圖5中3條曲線的尾部上揚(yáng)部分表示試件變形達(dá)到限制應(yīng)變，限位環(huán)對變形產(chǎn)生限制，曲線是試件和限位環(huán)共同作用的結(jié)果，并不是真實的應(yīng)力應(yīng)變曲線，前面部分才是真實有效段。

圖5 在不同的名義應(yīng)變下限制變形試驗中V-5Cr-5Ti試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.5 True stress-true strain curves of the V-5Cr-5Ti specimens in the limited deformation test at different nominal strains

圖6為進(jìn)行不同應(yīng)變壓縮后的金相形貌。由圖可見，0.20應(yīng)變以下的試件金相組織中出現(xiàn)了大量的準(zhǔn)靜態(tài)下沒有的孿晶組織，但是應(yīng)變?yōu)?.28和0.50的試樣中的孿晶組織急劇減少甚至消失了。這表明：在常溫、準(zhǔn)靜態(tài)下，釩合金的塑性變形與常規(guī)的體心立方金屬相同，以位錯滑移的方式進(jìn)行。而在高應(yīng)變率下，應(yīng)變較小時，塑性變形則以孿生變形的方式為主；隨著應(yīng)變的增大，由于孿生后變形部分的晶體位向發(fā)生改變，可使原來處于不利取向的滑移系轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌挠欣∠?，這樣就可以激發(fā)起晶體的進(jìn)一步滑移，導(dǎo)致孿生的概率減小［11］。

3.3 應(yīng)變累積試驗

圖6 應(yīng)變率為3 560s－1時不同應(yīng)變壓縮后V-5Cr-5Ti試件的金相形貌Fig.6 Metallurgical structures of the V-5Cr-5Ti specimen in the cases of different strains at the strain rate of 3 560s－1

為了了解應(yīng)變歷史對材料性能的影響，進(jìn)行了應(yīng)變累積試驗，即針對同一試件，進(jìn)行多次壓縮加載，以考察應(yīng)變歷史對材料力學(xué)性能的影響。分別進(jìn)行了幾種形式的試驗：1種是采用相同加載速度，控制應(yīng)變，進(jìn)行多次加載；另1種則是控制應(yīng)變，加載速度先低后高或者先高后低。通過這幾種形式，形成了不同的應(yīng)變加載歷史。

第1組試驗針對同一試件進(jìn)行了2次加載。首次加載使用了高度為4.60mm的限位環(huán)，應(yīng)變率為1 320s－1；第2次加載使用了高度為4.00mm的限位環(huán)，應(yīng)變率為1 860s－1。圖7（a）為2次加載與應(yīng)變率效應(yīng)試驗中單次加載的應(yīng)力應(yīng)變曲線對比圖。當(dāng)應(yīng)變率從1 320s－1升至1 860s－1時，按照前面應(yīng)變率效應(yīng)試驗所揭示的規(guī)律（見圖4），應(yīng)力水平應(yīng)略有提高，但與以3 560s－1應(yīng)變率進(jìn)行的單次加載的應(yīng)力水平應(yīng)有較大的差距。而圖7（a）顯示，第2次加載應(yīng)變率提高不大，其應(yīng)力水平卻已與3 560s－1時的單次加載相當(dāng)，其增量遠(yuǎn)大于應(yīng)變率效應(yīng)引起的變化。

第2組試驗針對同一試件進(jìn)行了3次加載。首次加載使用了高度為4.60mm的限位環(huán)，應(yīng)變率為1 890s－1；第2次加載使用了高度為4.00mm的限位環(huán)，應(yīng)變率為2 210s－1；第3次加載則在無限位環(huán)的情況下進(jìn)行，應(yīng)變率為2 460s－1。圖7（b）為3次加載與單次加載的應(yīng)力應(yīng)變曲線對比圖。當(dāng)應(yīng)變率從1 890s－1升至2 210s－1和2 460s－1時，按照應(yīng)變率效應(yīng)試驗所揭示的規(guī)律（見圖4），應(yīng)力水平應(yīng)有提高，與以3 560s－1應(yīng)變率進(jìn)行的單次加載的應(yīng)力水平尚有一定的差距。但從圖7（b）中可以看到，第2次加載時其應(yīng)力已與3 560s－1時的單次加載相當(dāng)，第3次加載時的應(yīng)力水平則超過了以3 560s－1應(yīng)變率進(jìn)行的單次加載。

圖7 不同加載次數(shù)試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線比較Fig.7 Comparison of true stress-true strain curves of the V-5Cr-5Ti specimens loaded different times

另1組試驗第2次加載的應(yīng)變率從2 960s－1降到1 410s－1，但應(yīng)力不僅沒有依照應(yīng)變率效應(yīng)試驗中揭示的規(guī)律下降，反而有較大的提高，甚至超過3 560s－1時的應(yīng)力，如圖8所示。

從以上現(xiàn)象可以看到，經(jīng)過加載以后的釩合金再次加載時，其應(yīng)力水平有較大的提高，甚至超過了應(yīng)變率的影響，也即釩合金的應(yīng)變歷史對應(yīng)力應(yīng)變曲線產(chǎn)生的影響較大。試圖從細(xì)觀角度來尋求產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因，分別對原始試件、1次加載、2次加載和3次加載后的試件進(jìn)行了金相顯微觀察，圖9為各試件的金相形貌圖?？梢钥吹剑髟嚰慕鹣嘟M織均為等軸的釩基固溶體，晶粒大小沒有明顯的變化。也即，加載歷史對釩合金細(xì)觀金相形貌的影響不明顯。進(jìn)一步進(jìn)行了透射電鏡的觀察，但也未獲得有價值的結(jié)果。應(yīng)變歷史對應(yīng)力應(yīng)變曲線產(chǎn)生較大影響的原因，需作更深入的研究。

圖8 應(yīng)變率向下跳躍對應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響Fig.8 Effect of strain rate jump from 2 960s－1 to 1 410s－1 on stress-strain curves

圖9 經(jīng)歷不同加載次數(shù)的試件的金相形貌Fig.9 Metallurgical structures of the V-5Cr-5Ti specimens loaded different times

4 結(jié) 論

以釩合金 V-5Cr-5Ti為研究對象，采用霍普金森壓桿（SHPB）研究了材料在常溫下的動態(tài)壓縮力學(xué)性能，分別進(jìn)行了應(yīng)變率效應(yīng)試驗、限制應(yīng)變試驗和應(yīng)變累積試驗，給出了釩合金 V－5Cr-5Ti的動態(tài)壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線、不同應(yīng)變時的金相形貌，得到以下結(jié)論：

（1）V-5Cr-5Ti具 有 明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。應(yīng)變率為3 560s－1時的流變應(yīng)力比應(yīng)變 率 770s－1時 提 高 了19%；與準(zhǔn)靜態(tài)下相比，提高了44%。

（2）在高應(yīng)變率下，應(yīng)變較 小 時，V-5Cr-5Ti晶 體 的滑移較難進(jìn)行，塑性變形以孿生變形為主。隨著應(yīng)變的增大，由于孿生后變形部分的晶體位向發(fā)生改變，使原來處于不利取向的滑移系轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌挠欣∠?，激發(fā)起晶體的進(jìn)一步滑移，導(dǎo)致孿生的概率減小。

（3）經(jīng)過加載以后的釩合金再次加載時，應(yīng)力水平有較大的提高，甚至超過了應(yīng)變率的影響。但加載歷史對釩合金細(xì)觀金相形貌的影響不明顯，各試件的金相組織均為等軸的釩基固溶體，晶粒大小沒有明顯的變化。應(yīng)變歷史對應(yīng)力應(yīng)變曲線產(chǎn)生較大影響的原因，需作進(jìn)一步研究。

對北京有色金屬研究總院崔瞬研究員提供的試驗材料以及中國工程物理研究院環(huán)境試驗中心國家認(rèn)可實驗室陳勇梅、牛偉提供的靜態(tài)測試數(shù)據(jù)，謹(jǐn)表感謝！

［1］Smith D L，Chung H M，Loomis B A，et al.Reference vanadium alloy V-4Cr-4Ti for fusion application［J］.Journal of Nuclear Materials，1996，233-237：356-363.

［2］Smith D L，Billone M C，Natesan K.Vanadium-base alloys for fusion first-wall／blanket applications［J］.International Journal of Refractory Metals ＆ Hard Materials，2000，18：213-224.

［3］諶繼明，楊霖，邱紹宇，等.釩合金的高溫氧化特性和氫致脆性研究［J］.稀有金屬材料與工程，2003，32（2）：113-116.

CHEN Ji-ming，YANG Lin，QIU Shao-yu，et al.Characteristics of the high-temperature oxidation and hydrogen embrittlement for vanadium alloys［J］.Rare Metal Materials and Engineering，2003，32（2）：113-116.

［4］諶繼明.中子輻照對釩合金強(qiáng)塑性的影響及其溫度效應(yīng)［J］.核聚變與等離子體物理，2002，22（4）：209-214.

CHEN Ji-ming.Influence of temperature and neutron irradiation on the strength and ductility of vanadium alloys［J］.Nuclear Fusion and Plasma Physics，2002，22（4）：209-214.

［5］諶繼明.合金元素和氫、氧對釩合金拉伸性能的影響［J］.材料科學(xué)與工藝，2002，10（4）：366-370.

CHEN Ji-ming.Influence of alloying elements and hydrogen and oxygen on tensile properties of vanadium alloys［J］.Materials Science ＆ Technology，2002，10（4）：366-370.

［6］徐穎，諶繼明，鄧穎.含氫 V4Cr4Ti合金的力學(xué)性能和斷裂特征［J］.理化檢驗：物理分冊，2002，38（9）：369-373.

XU Ying，CHEN Ji-ming，DENG Ying.Mechanical properties and fracture features of a hydrogen bearing V4Cr4Ti alloy［J］.Physical Testing and Chemical Analysis Part A：Physical Testing，2002，38（9）：369-373.

［7］Aglan H A，Gan Y X，Chin B A，et al.Effect of composition on the fatigue failure behavior of vanadium alloys［J］.Journal of Nuclear Materials，2000，278（2-3）：186-194.

［8］Rowcliffe A F，Zinkle S J，Hoelzer D T.Effect of strain rate on the tensile properties of unirradiated and irradiated V-4Cr-4Ti［J］.Journal of Nuclear Materials，2000，283-287：508-512.

［9］Nemat-Nasser S，Guo W G.High strain rate response of commercially pure vanadium［J］.Mechanics of Materials，2000，32：243-260.

［10］郭偉國.BCC金屬的塑性流動行為及其本構(gòu)關(guān)系研究［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007.

［11］崔忠圻，覃耀春.金屬學(xué)與熱處理［M］.2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：165-173.

Dynamic compressive mechanical properties of V-5Cr-5Ti at room temperature＊

XIE Ruo-ze1，HU Wen-jun1，CHEN Cheng－jun1，PAN Xiao-xia1，HE Peng1，ZHANG Fang－ju1，CHEN Jie2
（1.Institute of Structural Mechanics，China Academy of Engineering Physics，Mianyang621900，Sichuan，China；
2.School of Civil Engineering and Architecture，Southwest University of Science and Technology，Mianyang621000，Sichuan，China）

Strain rate effect tests，limited strain tests and cumulated strain tests were conducted on a vanadium-based alloy（V-5Cr-5Ti）respectively by using a split-Hopkinson pressure bar（SHPB）system at room temperature.The effects of strain rate and strain cumulating on the dynamic compressive mechanical properties of V-5Cr-5Ti were analyzed.The microstructures of the specimens before and after dynamic compression were investigated by applying an optical microscope.The experimental results show that the dynamic properties of V-5Cr-5Ti exhibit obvious sensitivity to the strain rates and the strain history，and the effect of strain history is more obvious.For specimens at high strain rates，the twins appear when the strain is smaller than 0.20，and the twins decrease while the strain is larger than 0.20.

solid mechanics；mechanical properties；dynamic compression；V-5Cr-5Ti；SHPB

26October 2009；Revised 13March 2010

XIE Ruo-ze，xierz＠caep.ac.cn

（責(zé)任編輯 張凌云）

O347.4 國標(biāo)學(xué)科代碼：130·15

A

2009-10-26；

2010-03-13

中國工程物理研究院科學(xué)技術(shù)發(fā)展基金重點項目（2007A04001）

謝若澤（1970— ），男，碩士，副研究員。

1001-1455（2010）06-0641-06