謝若澤，胡文軍，黃西成，張方舉

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621900）

純釩的動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究

謝若澤，胡文軍，黃西成，張方舉

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621900）

為研究純釩在常溫下的動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)性能，采用霍普金森壓桿（SHPB）對(duì)其進(jìn)行應(yīng)變率效應(yīng)實(shí)驗(yàn)并采用應(yīng)變凍結(jié)法對(duì)其進(jìn)行應(yīng)變累積實(shí)驗(yàn)，給出純釩在常溫下的動(dòng)態(tài)壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線，研究應(yīng)變歷史對(duì)材料性能的影響，并與電弧熔煉釩合金進(jìn)行比較，結(jié)果表明：在應(yīng)變率為4430s-1時(shí)，純釩的流變應(yīng)力為564MPa，比應(yīng)變率810s-1時(shí)的437MPa提高29%，純釩具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)；應(yīng)變歷史雖然對(duì)純釩有影響，但其影響并不強(qiáng)烈；電弧熔煉釩合金的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于純釩。

純釩；動(dòng)態(tài)壓縮；應(yīng)變率；應(yīng)變歷史

0　引　言

釩及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(jì)和殼體設(shè)計(jì)中具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)［1-2］。國內(nèi)外對(duì)釩及釩合金已進(jìn)行了多方面的研究工作，其中大多集中于材料制備和環(huán)境因素對(duì)材料性能的影響：如合金、雜質(zhì)元素以及熱處理工藝對(duì)合金性能的影響，釩合金的高溫氧化問題，釩合金的氫脆、氦脆性能，中子輻照、電子輻照、離子輻照等。Smith、諶繼明、周康寧等［1-8］在這方面進(jìn)行了大量研究。在力學(xué)性能方面，Aglan等［9］對(duì)釩合金的疲勞破壞行為進(jìn)行了研究，Rowcliffe［10］研究了應(yīng)變率對(duì)V-4Cr-4Ti拉伸性能的影響，對(duì)于釩及釩合金的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能則研究報(bào)道較少，謝若澤等［11-12］進(jìn)行了V-5Cr-5Ti常溫動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)性能試驗(yàn)研究，并研究了電弧熔煉V-5Cr-5Ti的高溫力學(xué)性能。

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(dòng)態(tài)加載的考驗(yàn)，研究釩及釩合金的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及變形模式，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及產(chǎn)品安全有效具有很大意義。本文以純釩為研究對(duì)象，采用霍普金森壓桿（SHPB）研究了材料在常溫下的動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)性能，分別進(jìn)行了應(yīng)變率效應(yīng)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)變累積實(shí)驗(yàn)，給出了純釩的動(dòng)態(tài)壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線，研究了應(yīng)變歷史對(duì)材料性能的影響，并與電弧熔煉釩合金進(jìn)行了比較，結(jié)果可供產(chǎn)品設(shè)計(jì)參考。

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)在霍普金森壓桿上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)選用的波導(dǎo)桿均為18Ni-350馬氏體時(shí)效鋼桿，輸入桿長1 260 mm、直徑25 mm，輸出桿長1 260 mm、直徑25 mm。加載設(shè)備為空氣炮，子彈長300mm、直徑為25mm，材料與波導(dǎo)桿相同。

1.2應(yīng)變凍結(jié)法

在實(shí)驗(yàn)中，部分試件的變形將采用應(yīng)變凍結(jié)法加以限制，以獲得指定的應(yīng)變值。所謂應(yīng)變凍結(jié)法，即用一個(gè)高度小于試件原始長度的鋼制套環(huán)（限位環(huán)），套在試件的外面，沖擊加載使試件產(chǎn)生變形，當(dāng)試件長度與套環(huán)高度相同時(shí)，大部分加載由套環(huán)承受，試件不再產(chǎn)生大的變形，從而限制試件的變形，即應(yīng)變凍結(jié)，如圖1所示。限位環(huán)材料通常選用強(qiáng)度較高的金屬。

圖1　應(yīng)變凍結(jié)法示意圖

1.3數(shù)據(jù)采集和處理

子彈的撞擊速度由激光測(cè)速系統(tǒng)測(cè)定。在輸入桿、輸出桿的中間位置各對(duì)稱粘貼兩片應(yīng)變片，其敏感柵絲方向與桿的軸線方向一致，實(shí)驗(yàn)應(yīng)變信號(hào)由各應(yīng)變片分別接受，通過動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀進(jìn)行信號(hào)放大后由示波器記錄。應(yīng)變儀為揚(yáng)州科動(dòng)生產(chǎn)的KD6009型應(yīng)變放大器，其頻帶寬為10 Hz～1 000 kHz；采用TDS540D數(shù)字存儲(chǔ)示波器記錄波形，其頻帶寬為DC～500MHz，系統(tǒng)頻響可以滿足SHPB的測(cè)試要求。

應(yīng)變片電阻為120Ω，靈敏系數(shù)為2.17；應(yīng)變放大器的增益為100倍，橋壓為4V，根據(jù)應(yīng)變放大器提供的系數(shù)計(jì)算方法可得系統(tǒng)的標(biāo)定值為1 V對(duì)應(yīng)4600με。

1.4實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)霍普金森壓桿的具體情況，將試件設(shè)計(jì)為直徑10mm，長5mm的圓柱形試件。根據(jù)試件尺寸，設(shè)計(jì)了多種高度的限位環(huán)，其外徑為22mm，內(nèi)徑為13mm，高度分別為3.6，3.8，4.2，4.6mm等。

設(shè)計(jì)了兩種類型的實(shí)驗(yàn)。首先，利用7～30m/s的不同彈速，測(cè)試了材料在不同應(yīng)變率范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)性能；然后采用應(yīng)變凍結(jié)法對(duì)試件進(jìn)行多次壓縮加載，研究材料的應(yīng)變累積效應(yīng)。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1試件變形情況

圖2為實(shí)驗(yàn)前后試件的對(duì)比情況。從圖中可以看出，實(shí)驗(yàn)前試件為圓柱形，實(shí)驗(yàn)后，試件除在長度方向被壓縮外，在直徑方向出現(xiàn)了不同程度的擴(kuò)展，試件表現(xiàn)出明顯的變形不均勻性，體現(xiàn)了試件材料的各向異性，其原因需進(jìn)一步采用細(xì)觀方法從材料細(xì)觀組織結(jié)構(gòu)角度進(jìn)行研究。

圖2　實(shí)驗(yàn)前后試件對(duì)比圖

2.2應(yīng)變率效應(yīng)

利用7～30 m/s的不同彈速，測(cè)試了材料在不同應(yīng)變率范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)性能。根據(jù)一維應(yīng)力波理論，對(duì)實(shí)驗(yàn)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，再利用式（1）和式（2）計(jì)算得到試件的真實(shí)應(yīng)力σ和真實(shí)應(yīng)變?chǔ)?，從而獲得材料的應(yīng)力～應(yīng)變～應(yīng)變率關(guān)系：

式中：εs——工程應(yīng)變，以壓為正；

ε——真應(yīng)變，以壓為正；

σs——工程應(yīng)力；

σ——真應(yīng)力。

實(shí)驗(yàn)得到了純釩在102～103s-1應(yīng)變率范圍的動(dòng)態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。表1給出了各實(shí)驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中流變應(yīng)力是指試件發(fā)生5%真應(yīng)變時(shí)所對(duì)應(yīng)的真實(shí)應(yīng)力。

各個(gè)應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。由圖3和表1可見，純釩具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，在應(yīng)變率為810s-1時(shí)，材料的流變應(yīng)力為437MPa；在應(yīng)變率為1720s-1時(shí)，材料的流變應(yīng)力為465MPa；在應(yīng)變率為4430s-1時(shí)，材料的流變應(yīng)力為564MPa，比應(yīng)變率810s-1時(shí)提高了29%。

表1　應(yīng)變率效應(yīng)各實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)和結(jié)果

圖3　純釩的動(dòng)態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.3應(yīng)變累積實(shí)驗(yàn)

為了解應(yīng)變歷史對(duì)材料性能的影響，進(jìn)行了應(yīng)變累積實(shí)驗(yàn)，即針對(duì)同一試件，進(jìn)行多次壓縮加載，以考察應(yīng)變歷史對(duì)材料力學(xué)性能的影響。采用應(yīng)變凍結(jié)法控制應(yīng)變，加載速度先低后高或者先高后低，從而形成不同的應(yīng)變加載歷史。表2為各試件的實(shí)驗(yàn)參數(shù)和結(jié)果。

表2　應(yīng)變累積實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)和結(jié)果1）

20號(hào)試件首先在0.10 MPa氣壓、4.60 mm限位環(huán)的情況下進(jìn)行第1次加載，然后在0.25MPa氣壓、3.80mm限位環(huán)的情況下進(jìn)行第2次加載，最后在0.50MPa氣壓、無限位環(huán)的情況下進(jìn)行第3次加載。21號(hào)試件首先在0.50 MPa氣壓、4.20 mm限位環(huán)的情況下進(jìn)行第1次加載，然后在0.25MPa氣壓、3.60 mm限位環(huán)的情況下進(jìn)行第2次加載，第3次加載則在0.10 MPa氣壓、無限位環(huán)的情況下進(jìn)行，最后在0.40MPa氣壓、無限位環(huán)的情況下進(jìn)行第4次加載。

圖4為20號(hào)試件多次加載的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖，其中應(yīng)變率為3220s-1的曲線為8號(hào)試件單次加載所得到的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系?？梢钥吹剑诙啻渭虞d實(shí)驗(yàn)中，隨著應(yīng)變率的提高，應(yīng)力應(yīng)變曲線逐步升高，流動(dòng)應(yīng)力逐步變大，但3次加載的曲線均未超過應(yīng)變率為3220s-1的曲線，基本沿著該曲線發(fā)展而未大幅超出，多次加載的應(yīng)變累積對(duì)材料性能的影響并不強(qiáng)烈。

圖4　20號(hào)試件多次加載應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5為21號(hào)試件多次加載的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖，其中第3次加載所采集的數(shù)據(jù)不理想，圖中沒有給出。圖中應(yīng)變率為3220s-1的曲線為8號(hào)試件單次加載所得到的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，應(yīng)變率為2180s-1的曲線為4號(hào)試件單次加載所得到的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。圖中第2次加載應(yīng)變率為1970s-1，曲線卻高于應(yīng)變率為2180s-1的單次加載，可見加載歷史對(duì)材料依然產(chǎn)生了影響，但其變化并不劇烈，幾次加載所獲得的曲線基本沿著3220s-1單次加載的曲線發(fā)展。

圖5　21號(hào)試件多次加載應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3　與電弧熔煉釩合金的比較

謝若澤等［11］前期已對(duì)電弧熔煉釩合金V-5Cr-5Ti的常溫動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了研究，這里對(duì)兩種材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能作一簡單比較。

首先比較兩種材料的變形情況。兩次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原始試件形狀和尺寸完全相同，實(shí)驗(yàn)后兩種材料的試件形貌如圖6所示。從圖中可以看出，電弧熔煉釩合金在徑向產(chǎn)生的擴(kuò)展比較均勻，而純釩在直徑方向出現(xiàn)了不同程度的擴(kuò)展，試件截面不再是一個(gè)圓形，表現(xiàn)出明顯的變形不均勻性，體現(xiàn)了試件材料的各向異性。

圖6　電弧熔煉釩合金和純釩實(shí)驗(yàn)后的變形情況

再來比較兩種材料的強(qiáng)度和應(yīng)變率效應(yīng)。圖7為兩種材料的流變應(yīng)力-應(yīng)變率關(guān)系曲線，圖8為兩種材料在應(yīng)變率為3×103量級(jí)時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。從圖中可以看到，電弧熔煉釩合金的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于純釩，相同應(yīng)變率下電弧熔煉釩合金的流變應(yīng)力比純釩約提高50%。另一方面，隨著應(yīng)變率的增大，電弧熔煉釩合金的流變應(yīng)力比純釩提高得更快，也即電弧熔煉釩合金的應(yīng)變率效應(yīng)更強(qiáng)。

圖7　電弧熔煉釩合金和純釩的流變應(yīng)力-應(yīng)變率關(guān)系曲線

圖8　電弧熔煉釩合金和純釩的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖9為電弧熔煉釩合金3次加載與單次加載的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比圖［11］。圖中顯示，經(jīng)過加載以后的釩合金再次加載時(shí)，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(duì)其應(yīng)力-應(yīng)變曲線產(chǎn)生的影響較大。而圖4和圖5顯示，加載歷史對(duì)純釩雖然產(chǎn)生了影響，但其變化并不劇烈，多次加載所獲得的曲線基本沿著單次加載的曲線發(fā)展。可見，兩者相較，應(yīng)變歷史對(duì)電弧熔煉釩合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線產(chǎn)生的影響比對(duì)純釩的影響更大。

圖9　電弧熔煉釩合金多次加載與單次加載應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比

4　結(jié)束語

以純釩為研究對(duì)象，采用霍普金森壓桿（SHPB）研究了材料在常溫下的動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)性能，分別進(jìn)行了應(yīng)變率效應(yīng)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)變累積實(shí)驗(yàn)，給出了純釩的動(dòng)態(tài)壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線，研究了應(yīng)變歷史對(duì)材料性能的影響，并與電弧熔煉釩合金的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了比較，得到以下結(jié)論：

1）純釩試件實(shí)驗(yàn)后除在長度方向被壓縮外，在直徑方向出現(xiàn)了不同程度的擴(kuò)展，試件表現(xiàn)出明顯的變形不均勻性，體現(xiàn)了試件材料的各向異性。

2）純釩具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。在應(yīng)變率為810s-1時(shí)，材料的流變應(yīng)力為437 MPa；在應(yīng)變率為4 430 s-1時(shí)，材料的流變應(yīng)力為564 MPa，比應(yīng)變率810s-1時(shí)提高了29%。

3）加載歷史對(duì)純釩雖然產(chǎn)生了影響，但其變化并不劇烈，多次加載所獲得的曲線基本沿著單次加載的曲線發(fā)展。

4）純釩表現(xiàn)出各向異性，而電弧熔煉釩合金為各向同性；電弧熔煉釩合金的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于純釩，相同應(yīng)變率下電弧熔煉釩合金的流變應(yīng)力比純釩約提高50%；電弧熔煉釩合金的應(yīng)變率效應(yīng)更強(qiáng)；應(yīng)變歷史對(duì)電弧熔煉釩合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線產(chǎn)生的影響比對(duì)純釩的影響更大。

［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.Vanadiumbase 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.

［4］諶繼明.中子輻照對(duì)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.

［5］諶繼明.合金元素和氫、氧對(duì)釩合金拉伸性能的影響［J］.材料科學(xué)與工藝，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(yàn)（物理分冊(cè)），2002，38（9）：369-373.

［7］周康寧，張崇宏，崔舜，等.釩合金的電子輻照損傷研究［J］.稀有金屬，2015，39（9）：775-781.

［8］張高偉，萬發(fā)榮，姜少寧，等.高溫注氫對(duì)釩合金微觀結(jié)構(gòu)的影響［J］.工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，38（3）：385-390.

［9］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.

［10］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.

［11］謝若澤，胡文軍，陳成軍，等.V-5Cr-5Ti常溫動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)性能試驗(yàn)研究［J］.爆炸與沖擊，2010，30（6）：641-646.

［12］XIE R Z，HU W J，HE P，et al.Experimental study on dynamic compressive mechanical properties of v-5cr-5ti at high temperature［C］∥ICEM15，Experimental Mechanics：NewTrendsandPerspectivesPorto/Portugal，2012：627-628.

（編輯：徐柳）

Experimental study on dynamic compressive mechanical properties of pure vanadium

XIE Ruoze，HU Wenjun，HUANG Xicheng，ZHANG Fangju
（Institute of Systems Engineering，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，China）

Strain rate effect tests and cumulated strain tests of pure vanadium by means of the Split Hopkinson Pressure Bar（SHPB）were carried out at room temperature.The effects of strain rate and strain cumulating on the dynamic compressive mechanical properties of pure vanadium werestudiedandcomparedwiththatofthevanadiumalloysbyarcmeltingmethod.The experimental results show that the flow stress of pure vanadium is 564MPa when the strain rate is 4 430 s-1，which is 29%higher than 437Mpa when the strain rate is 810 s-1，the dynamic properties of pure vanadium exhibit obvious sensitivity to the strain rates，the strain history affects the dynamicpropertiesofpurevanadium，buttheinfluenceisconstraiend，thestrengthofthe vanadium alloys by arc melting method is higher than the pure vanadium.

pure vanadium；dynamic compression；strain rate；strain history

A

1674-5124（2016）10-0040-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.10.008

2016-04-28；

2016-06-01

國家自然科學(xué)基金（11272300，11472257）

謝若澤（1970-），男，湖北利川市人，研究員，研究領(lǐng)域?yàn)闆_擊動(dòng)力學(xué)。