劉永貴,唐志平,崔世堂

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院材料力學(xué)行為和設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230027)

通常，相變受溫度和應(yīng)力的雙重控制。沖擊加載時(shí)，由于時(shí)間極短可視為絕熱過(guò)程。進(jìn)入相變階段，相變潛熱的釋放/吸收以及相變耗散功的共同作用，將會(huì)引起材料溫度的變化，這種溫度的變化反過(guò)來(lái)又會(huì)影響材料性能和瞬態(tài)響應(yīng)[1-4]?？梢?，溫度是相變過(guò)程中的一個(gè)重要物理參量，實(shí)時(shí)測(cè)量相變過(guò)程中溫度變化是理解相變材料的熱力學(xué)性能、分析相變過(guò)程中熱和力的耦合作用的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

目前，關(guān)于相變過(guò)程中溫度變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究多集中在準(zhǔn)靜態(tài)[5-7]，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)一次加、卸載循環(huán)后試樣溫度均低于初始溫度，但對(duì)其物理機(jī)制的解釋并沒有形成一致的認(rèn)識(shí)。沖擊加載下的研究很少。Chen Wei-nong等[8]曾嘗試將熱電偶埋入試件的預(yù)開孔中，得到了沖擊壓縮下TiNi合金的溫度隨試樣應(yīng)變變化的關(guān)系，但測(cè)到的溫度變化量較小，而且在加載段溫度已開始下降，作者解釋為由于孔中產(chǎn)生應(yīng)力集中和熱傳導(dǎo)的作用，說(shuō)明該測(cè)溫方法本身導(dǎo)致的應(yīng)力集中可能影響了測(cè)溫結(jié)果。

紅外測(cè)溫技術(shù)由于其響應(yīng)時(shí)間快和非接觸性，已廣泛應(yīng)用于沖擊力學(xué)領(lǐng)域[9-11]。但采用該技術(shù)對(duì)沖擊相變過(guò)程中的實(shí)時(shí)溫度變化規(guī)律的研究較少。本文中，采用帶有紅外測(cè)溫系統(tǒng)的SHPB沖擊壓縮裝置，實(shí)時(shí)測(cè)量室溫下處于形狀記憶狀態(tài)和偽彈性狀態(tài)的TiNi合金試樣在加、卸載相變過(guò)程中的表面溫度，研究其溫度變化的規(guī)律，以及溫度變化對(duì)材料相變力學(xué)性能的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

材料試樣為直徑8 mm、厚度6 mm的TiNi合金圓柱體，經(jīng)過(guò)不同的熱處理過(guò)程，室溫下試樣有兩種不同的熱力學(xué)狀態(tài)：形狀記憶狀態(tài)(SME)和偽彈性狀態(tài)(PE)，初始相均為奧氏體相，其相應(yīng)的熱力學(xué)參數(shù)通過(guò)示差掃描量熱實(shí)驗(yàn)獲得，如表1所示。表1中，ρ為材料密度，L、cp代表相變潛熱和質(zhì)量定壓熱容，Ms、Mf分別為馬氏體相變的起始和完成溫度，As、Af分別為奧氏體相變的起始和完成溫度。

實(shí)驗(yàn)裝置有兩部分組成[12]：一部分是常規(guī)?14.5 mm鋼材SHPB沖擊壓縮裝置，其基本原理為一維應(yīng)力波理論[13]；另一部分是紅外測(cè)溫系統(tǒng)，其物理基礎(chǔ)為斯特藩-玻耳茲曼定理[14]。

正式實(shí)驗(yàn)前，需要在SHPB實(shí)驗(yàn)裝置上對(duì)材料試樣進(jìn)行原位溫度實(shí)驗(yàn)標(biāo)定，建立示波器電壓信號(hào)和被測(cè)試樣表面溫度間的定量關(guān)系。標(biāo)定的二次多項(xiàng)式擬合曲線為[12]:

θ=24.40+8.54×10-2U-1.38×10-5U2

(1)

式中：θ為攝氏溫度，℃；U為電壓，mV。

表1 TiNi合金基本熱力學(xué)參數(shù)Table 1 Properties of TiNi alloy in the experiment

2 結(jié)果和分析

共進(jìn)行了6發(fā)實(shí)驗(yàn)，SME和PE試樣各3發(fā)，子彈材料為A3鋼，長(zhǎng)度均為200 mm，表2給出了沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)的條件和主要結(jié)果。表2中，v0為碰撞速度，σt為相變臨界應(yīng)力，εm為最大相變應(yīng)變，εr為殘余應(yīng)變。圖1為兩種試樣的典型應(yīng)變和紅外探測(cè)器記錄波形，由其中的應(yīng)變波形并根據(jù)一維應(yīng)力波理論可得到對(duì)應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變曲線，由紅外探測(cè)器波形和溫度-電壓標(biāo)定公式(1)可得到相應(yīng)的溫度響應(yīng)。圖2～3分別給出了SME和PE試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線和溫度響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。對(duì)比圖2(a)和2(b)、圖3(a)和3(b)，得到相變過(guò)程中溫度的變化規(guī)律，如圖4～5所示。

表2 實(shí)驗(yàn)的參數(shù)和主要結(jié)果Table 2 Experimental parameters and main results

圖1 TiNi形狀記憶合金試樣的典型沖擊壓縮信號(hào)圖Fig.1 Raw data of shock compression of TiNi alloy specimen

對(duì)初始SME狀態(tài)的試樣，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和實(shí)時(shí)溫度曲線如圖2所示。圖2(a)中，隨著撞擊速度的增大，加載相變最大應(yīng)變隨之變大，但相變初始閾值應(yīng)力基本不變。在圖2(b)中，低速撞擊(實(shí)驗(yàn)1)下，溫度從A點(diǎn)開始升高，到B點(diǎn)時(shí)溫度最高(為約30.4 ℃)，隨后保持最高溫度不變；隨著撞擊速度的增大(實(shí)驗(yàn)2)，溫度經(jīng)過(guò)AD段升高至37.5 ℃后略為降低，然后保持不變；當(dāng)撞擊速度進(jìn)一步增大(實(shí)驗(yàn)3)，溫度先升高到約48.0 ℃，后降低至約31.0 ℃。上述溫度變化的規(guī)律是同其加、卸載過(guò)程中相變變形有關(guān)的，圖4表明：在3種不同撞擊速度下，其溫度變化均經(jīng)歷了加載馬氏體相變過(guò)程的溫度升高，并且分別在相變應(yīng)變最大點(diǎn)B、D、F處溫度最高，但其卸載過(guò)程中溫度變化是不同的。實(shí)驗(yàn)1(見圖4(a))中，卸載過(guò)程BC近似為彈性卸載，溫度保持最高加載溫度基本不變；實(shí)驗(yàn)2(見圖4(b))中，卸載時(shí)DE溫度略有降低；實(shí)驗(yàn)3(見圖4(c))中，卸載過(guò)程FG溫度顯著降低，降低幅值約17 ℃，主要原因在于，其加載最高溫度48 ℃超過(guò)了奧氏體逆相變開始的相變溫度點(diǎn)As=46 ℃，卸載時(shí)，發(fā)生部分馬氏體到奧氏體的逆相變，導(dǎo)致卸載過(guò)程溫度降低。

圖2 初始SME狀態(tài)試樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和實(shí)時(shí)溫度Fig.2 Stress-strain curves and real-time temperature curves of SME specimens

由圖3(a)可知：對(duì)初始PE狀態(tài)試樣，相變初始閾值應(yīng)力基本不隨撞擊速度的增大而升高，如A點(diǎn)所示，為約589 MPa，并且存在不同程度的殘余應(yīng)變,具體大小見表2。對(duì)實(shí)驗(yàn)試樣回收觀察發(fā)現(xiàn)，室溫下，8～12 h后，殘余變形基本恢復(fù)，說(shuō)明其殘余應(yīng)變?yōu)轳R氏體相應(yīng)變。在圖3(b)中，3次實(shí)驗(yàn)溫度變化均是一個(gè)先升溫(AB、AD和AF段)后降溫(BC、DE和FG段)的過(guò)程，并且隨著撞擊速度的增大，最高加載溫度(B、D和F點(diǎn))和卸載完成溫度(C、E和G點(diǎn))隨之升高。圖5表明，溫升為相應(yīng)的加載相變過(guò)程，溫降為卸載逆相變過(guò)程，并且在加載相變應(yīng)變最大時(shí)，溫度最高，這同文獻(xiàn)[8]中結(jié)果不同；經(jīng)過(guò)一個(gè)加、卸載循環(huán)后，試樣溫度高于其初始溫度，這同準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果[5-7]不同，原因在于相變耗散功和殘余相變潛熱的共同作用。

圖3 初始PE狀態(tài)試樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和實(shí)時(shí)溫度Fig.3 Stress-strain curves and temperature curves of PE specimens

圖4 初始SME狀態(tài)試樣的沖擊相變過(guò)程溫度變化Fig.4 Temperature change of SME specimens in the process of phase transformation

圖5 初始PE狀態(tài)試樣的沖擊相變過(guò)程溫度變化Fig.5 Temperature change of PE specimens in the process of phase transformation

由圖2～3可知，TiNi合金沖擊相變過(guò)程存在溫度的變化，并且溫度的高低同相變應(yīng)變有關(guān)。由從能量守恒，引起材料溫度變化的熱量來(lái)自于兩部分：一部分是相變潛熱，另一部分是相變耗散功。沖擊加載時(shí)，一般不考慮試樣內(nèi)的熱傳導(dǎo)和試樣與外界的熱流作用，其溫度變化規(guī)律遵從能量守恒定律：

(2)

式中：T為絕對(duì)溫度，σ、εp分別為應(yīng)力和相變應(yīng)變，ρ、cp、α、L分別為材料密度、質(zhì)量定壓熱容、相變耗散功熱轉(zhuǎn)化系數(shù)和相變潛熱；z為新相體積分?jǐn)?shù)，z=εp/εl，εl為相變完成應(yīng)變，為約0.048。

對(duì)公式(2)積分，可得：

(3)

式中：W為相變耗散功，即應(yīng)力應(yīng)變曲線下所圍面積；Q為相變潛熱，其大小近似同相變應(yīng)變成正比。

表3給出了由公式(3)計(jì)算得到的結(jié)果和通過(guò)標(biāo)定公式(1)換算得到的測(cè)量溫度，計(jì)算時(shí)，α取0.9。表3中，θm為最大加載溫度，θu為卸載溫度，θ1為耗散功產(chǎn)生的溫升，θ2為相變潛熱產(chǎn)生的溫升。由表3可知，加載相變耗散功溫升在初始SME狀態(tài)下為相變潛熱溫升的1/8～1/5，而在初始PE狀態(tài)下其貢獻(xiàn)同相變潛熱幾乎相當(dāng)，因此相變耗散功對(duì)溫度變化的貢獻(xiàn)不可忽略。由計(jì)算溫度可以看到，兩種材料試樣卸載后溫度均高于初始溫度(24 ℃)，但其物理機(jī)制不同：對(duì)SME試樣，其主要原因在于加載釋放的相變潛熱的貢獻(xiàn)；而對(duì)PE試樣，在于經(jīng)過(guò)一個(gè)加卸載循環(huán)后的相變耗散功和殘余相變應(yīng)變引起的部分相變潛熱的共同作用。對(duì)比加、卸載相變過(guò)程測(cè)量溫度和計(jì)算溫度，兩者基本一致，說(shuō)明紅外瞬態(tài)測(cè)溫的方法用于材料沖擊變形過(guò)程中實(shí)時(shí)溫度測(cè)量是可行的。

表3 測(cè)量和計(jì)算的溫度Table 3 Measured and calculated temperatures

3 結(jié) 論

(1)TiNi合金試樣沖擊相變過(guò)程中存在溫度的變化。加載過(guò)程中，溫度隨著相變應(yīng)變的增大而升高，應(yīng)變最大時(shí)，溫度最高。卸載過(guò)程中：若為初始PE狀態(tài)試樣，則溫度先降低后保持一定溫度基本不變；若為初始SME狀態(tài)試樣，卸載過(guò)程溫度變化規(guī)律同加載最高溫度有關(guān)。

(2)定量溫度計(jì)算結(jié)果表明，相變耗散功對(duì)相變加、卸過(guò)程中溫度變化的作用不可忽略，尤其是對(duì)初始PE狀態(tài)試樣。

(3)沖擊相變過(guò)程溫度的變化對(duì)材料的熱力學(xué)性能和瞬態(tài)響應(yīng)有影響。初始SME狀態(tài)試樣的溫度效應(yīng)體現(xiàn)在，溫度的升高可改變其加載后的狀態(tài)和卸載路徑，使其從SME狀態(tài)變?yōu)镻E狀態(tài)，從彈性卸載變?yōu)椴糠帜嫦嘧冃遁d，而初始PE狀態(tài)材料試樣在相變過(guò)程中溫度的變化改變了其加、卸載路徑。

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