茍曼曼，白瑞敏，孟利軍

（1.西安漢唐分析檢測有限公司，陜西 西安 710201；2.西安歐中材料科技有限公司，陜西西安 710018）

金屬材料室溫拉伸性能作為材料強度和塑性性能表征的基本手段，在各類材料性能表征方法中占據(jù)著極其重要的作用，因此，其結果的可靠性對于準確反映材料性能至關重要。影響金屬材料室溫拉伸性能的因素很多，而其中拉伸速率對拉伸結果起著決定性作用［1～3］。因此，在 GB／T228.1-2010中對金屬材料的拉伸控制方式以及拉伸速率都提出了明確規(guī)定［4］。但是在長期試驗中發(fā)現(xiàn)，部分有色金屬與黑色金屬有所不同，其對拉伸試驗速率比較敏感，例如鈦合金和銅合金等，拉伸速率的切換會使得拉伸曲線產(chǎn)生一定的跳躍［5］。拉伸速率對部分有色金屬材料的抗拉強度有明顯影響。然而在GB／T228.1-2010中并沒有針對有色金屬的這種特殊性而提出拉伸速率的特殊要求。而鈦合金由于其強度高、耐腐蝕性好、耐熱性高等特點被廣泛應用于各行各業(yè)，因此本文重點分析拉伸速率對鈦合金拉伸性能的影響。

1 應變速率對鈦合金室溫拉伸性能影響的研究進展

室溫拉伸性能的結果表示主要有抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率和斷面收縮率，因此探討應變速率對室溫拉伸性能的影響，即為探討對這四種性能指標的影響。本文主要選取了三種牌號的鈦合金，對其已經(jīng)開展的關于應變速率對室溫拉伸性能的影響研究進行介紹和分析。

1.1 應變速率對Ti6Al4V（TC4）室溫拉伸性能的影響

張歡［6］等人研究了應變速率對Ti6Al4V室溫拉伸性能的影響。他們采用屈服前應變速率分別為0.003／min、 0.004／min、 0.005／min、 0.007／min、0.009／min、0.011／min、0.015／min和 0.067／min進行試驗，屈服后速率一致，結果表明應變速率對Ti6Al4V合金的拉伸強度、斷后伸長率和斷面收縮率的影響不明顯，但是屈服強度則明顯受到應變速率的影響。為了進一步研究應變速率對屈服強度的影響規(guī)律，他們討論了拉伸速率對數(shù)和屈服強度之間的關系，并繪制了圖1。從圖1中可以看出當應變速率小于0.005／min時，合金受應變速率的影響比較小，而當應變速率大于0.005／min時，合金屈服強度則隨著應變速率的增加而明顯增大。該研究共探討了8組不同應變速率對拉伸試驗結果的影響，主要研究了應變速率對Ti6Al4V合金的拉伸強度、屈服強度、斷后伸長率和斷面收縮率的影響程度，并通過繪制曲線的方式找到了對屈服強度影響程度的應變速率拐點，為應變速率對鈦合金室溫拉伸結果的影響規(guī)律做出了巨大貢獻。

圖1 拉伸速率對數(shù)與屈服強度的關系圖

張浩［7］等人研究了不同應變速率下Ti6Al4V的拉伸性能。他們通過試驗發(fā)現(xiàn)采用應變速率控制時，當試驗速率越高時Ti6Al4V合金的屈服強度值越高。并且通過試驗發(fā)現(xiàn)采用黑色金屬總結出來的試驗速率對該鈦合金進行試驗得到的屈服強度值比實際測得值增大了5%，因此表明適用于黑色金屬的試驗速率并不適用于鈦合金材料。該研究通過設計試驗，對比了黑色金屬與有色金屬材料拉伸試驗結果的異同，并總結出兩者采用相同應變速率下試驗結果差異的規(guī)律，為找到適合有色金屬材料試驗速率奠定了理論基礎。

張先鋒［8］等人研究了應變速率對TC4鈦合金抗拉強度及拉伸曲線的影響。他們在試驗中沒有考慮應變速率對材料屈服強度的影響，第一應變速率均采用0.000 25／s，第二速率分別采用 GB／T228.1-2010中規(guī)定的范圍二 0.000 25／s、范圍三 0.002／s和范圍四0.006 7／s，并同時考慮了在誤差±20%范圍內(nèi)應變速率對TC4鈦合金抗拉強度的影響。試驗結果表明，當應變速率從0.000 25／s提高到0.002／s時材料的抗拉強度值增幅不明顯，并且在誤差范圍內(nèi)時抗拉強度的變化亦不明顯，然而當應變速率提高到0.006 7／s時，TC4的抗拉強度明顯增加，且在誤差范圍內(nèi)時強度的變化也較為明顯，說明TC4材料的抗拉強度受應變速率的影響較為明顯，且應變速率越高強度值越大。另外，張先鋒等人還發(fā)現(xiàn)當TC4合金在室溫拉伸過程中由第一應變速率轉換到不同范圍的第二應變速率時拉伸曲線會有明顯的突變，第二速率越大應力值突變越大。因此，為了避免合金在拉伸試驗過程中由于速率的突變而產(chǎn)生的應力值的突變現(xiàn)象，應該嚴格控制拉伸過程中的應變速率。該研究在現(xiàn)有研究的基礎上，考慮了誤差范圍的影響，進一步探討了不同應變速率對TC4合金拉伸強度和曲線的影響，找到了應變速率對拉伸強度的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了試驗中應變速率的突變會引起應力值突變這一現(xiàn)象，在該研究領域取得了突破性進展。

1.2 應變速率對TA15室溫拉伸性能的影響

郝芳［5］等人研究了應變速率對TA15鈦合金室溫拉伸過程中力學性能的影響。他們分別采用四組不同的拉伸速率對TA15合金進行室溫拉伸試驗，第一應變速率分別為 0.000 03／min、0.000 2／min、0.000 8／min和0.004／min，第二應變速率統(tǒng)一采用0.2／min，試驗結果見表1。在這四組不同的試驗條件下，最終測得TA15鈦合金抗拉強度的最大值與最小值之差僅有10 MPa，斷后伸長率的差異為1%左右，斷面收縮率的差異也在1%左右，而屈服強度的差異則達到了56 MPa，并且試驗結果表明應變速率越高材料屈服強度越大，同時材料屈強差值減小，屈強比值增大。該研究采用不同的第一應變速率和相同的第二應變速率對TA15材料的室溫拉伸性能進行了研究，其研究表明，不同應變速率對TA15鈦合金的抗拉強度、斷后伸長率及斷面收縮率值影響較小，而對其屈服強度的影響較大，且應變速率越大材料的屈服強度值越高。

表1 不同應變速率下TA15鈦合金拉伸試驗結果

1.3 應變速率對Ti1023室溫拉伸性能的影響

焦磊［9］等人研究了不同應變速率對鈦合金Ti1023室溫拉伸性能的影響。他們分別采用應變速率為0.000 6／min、0.005／min、0.015／min、0.05／min、0.2／min、0.4／min的試驗條件對 Ti1023合金進行室溫拉伸試驗。結果發(fā)現(xiàn)當應變速率分別為0.000 6／min和0.4／min時，材料的屈服強度分別達到最小值與最大值，為417 MPa和487 MPa，兩者的差異達到70 MPa。而不同應變速率下，Ti1023合金的抗拉強度以及斷后伸長率和斷面收縮率幾乎一樣。由此得出，不同應變速率對Ti1023合金的屈服強度有明顯影響，且應變速率越高屈服強度值越大，而對抗拉強度、斷后伸長率和斷面收縮率影響不大。另外，他們通過金相分析以及斷口形貌分析發(fā)現(xiàn)，Ti1023合金在不同的拉伸速率下其顯微組織幾乎沒有發(fā)生變化，因此應變速率的變化對材料抗拉強度、斷后伸長率和斷面收縮率的結果影響不大。而且他們認為引起材料屈服強度發(fā)生明顯變化的主要原因是拉伸過程中產(chǎn)生的位錯運動，并且Ti1023合金在拉伸過程中會產(chǎn)生應力誘發(fā)馬氏體相變過程。該研究通過設計不同應變速率對Ti1023合金拉伸性能的影響試驗，找準了應變速率對拉伸性能的影響規(guī)律，并對這一規(guī)律進行了量化，同時，該研究從微觀組織和原子介觀角度深入研究并分析了應變速率對拉伸性能影響的內(nèi)在機理，為進一步解釋這一影響規(guī)律奠定了理論基礎。

通過以上試驗研究，可以發(fā)現(xiàn)應變速率對于不同牌號鈦合金（Ti6Al4V、TA15和Ti1023）拉伸性能的影響具有相似的規(guī)律，即在室溫拉伸過程中，第一應變速率對鈦合金Ti6Al4V、TA15及Ti1023的抗拉強度、斷后伸長率及斷面收縮率的影響不明顯，而對合金的屈服強度影響較為顯著，且應變速率越大屈服強度值越高；第二應變速率對鈦合金TC4的抗拉強度值影響較大，當應變速率從GB／T228.1-2010中的范圍2增加到范圍4時，材料的抗拉強度值明顯增大，且當應變速率在范圍4的±20%誤差范圍內(nèi)變化時，材料的抗拉強度波動較大。同時應變速率的突變會導致拉伸曲線的應力值發(fā)生突變。

2 應變速率對鈦合金室溫拉伸性能影響研究的展望

為了得出應變速率對鈦合金室溫拉伸性能的影響規(guī)律，目前已經(jīng)開展了一些研究工作，這些研究主要探討和量化了應變速率對拉伸試驗結果的抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率和斷面收縮率的影響程度和規(guī)律。在影響程度方面，改變第一或第二應變速率會分別對屈服強度和抗拉強度造成影響。因此，通過在試驗前進行驗證的方法，可找到適合鈦合金材料拉伸試驗的應變速率，以達到對試驗結果影響最小的目的。在影響規(guī)律方面，通過量化應變速率與拉伸性能指標的變化規(guī)律，并總結出明確的變化關聯(lián)公式，是進一步找到合理應變速率范圍的有力支撐。然而，現(xiàn)有工作的研究成果還不夠完善，不能完全實現(xiàn)上述目的，因此，對鈦合金材料拉伸試驗應變速率的研究未來還有以下一些工作可以開展：

1.進一步量化應變速率對抗拉強度和屈服強度的影響規(guī)律，給出確切的關系公式和明確的應變速率使用范圍。

2.深入分析應變速率影響拉伸試驗結果的內(nèi)在機理。

3.可從顯微組織和原子位移角度深入研究應變速率對鈦合金拉伸性能的影響。

3 結 論

應變速率是影響鈦合金室溫拉伸試樣結果的主要因素，不同的應變速率雖然對塑性性能的影響不大，但若速率超過某一范圍，會對抗拉和屈服兩個強度性能產(chǎn)生較大影響。本文針對Ti6Al4V、TA15和Ti1023這三種牌號的鈦合金關于拉伸試驗應變速率的研究進行了介紹和分析，并總結歸納了現(xiàn)有研究成果和對未來研究方向的展望?？傊瑸榱司_測量鈦合金的力學性能，應嚴格控制拉伸應變速率在適當?shù)姆秶鷥?nèi)，避免因拉伸速率的突變而造成拉伸曲線的突變，從而影響結果的準確性。