王珂娜，黃錫輝，王 朝

（西安漢唐分析檢測有限公司，陜西 西安 710000）

鈦合金是以鈦為基礎(chǔ)加入了其它元素組成的合金，鈦合金材料的主要由優(yōu)勢為具有質(zhì)量輕，強度大，彈性小，耐高溫和耐腐蝕等特點，鈦合金主要被用于航空發(fā)動機，火箭，導(dǎo)彈的部件。許多鈦合金制造的零部件如渦輪葉片，服役溫度通常長高溫下，且服役時間較長，鈦合金零件的性能隨著溫度會發(fā)生變化，受到溫度與時間的雙重影響，零件上的應(yīng)力也隨之重新分配，因此在對長期在高溫下服役的零部件的強度進行研究時，需要考慮零部件的蠕變問題。在工程實際中，往往由于材料的蠕變，破壞了機組的正常運行。

飛機飛行過程中從起航（升溫升速）經(jīng)巡航（恒溫恒載下蠕變）到停機（陣溫減速）時，渦輪盤還保持相當高的溫度，所以在計算一次飛行循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變幅值時，有必要考慮蠕變恢復(fù)問題，類似的情況也存在于在化工、動力等行業(yè)中[1]。因此對蠕變恢復(fù)（回復(fù)）問題的研究有其實際意義。

在高溫下，對鈦合金樣品施加一定的應(yīng)力，保持200h 后再進行卸載，并保持其初始負荷一段時間后，得到的蠕變應(yīng)變-時間曲線如圖1 所示。可以看出在卸載瞬間，彈性應(yīng)變恢復(fù)，隨著試驗的繼續(xù)進行，蠕變變形的回復(fù)經(jīng)歷了快速回復(fù)到緩慢恢復(fù)最終直至蠕變變形基本不變?nèi)齻€階段。在常用的幾種蠕變試驗標準中，對于塑性變形檢測結(jié)果的報出略有不同，主要的區(qū)別在于蠕變回復(fù)的這部分變形該如何定義，屬于彈性變形或是塑性變形，因此對鈦合金板材或棒材進行蠕變性能檢測時，根據(jù)選用的試驗標準不同，塑性變形檢測結(jié)果差異性較大。故本文針對航空用鈦合金蠕變回復(fù)過程中材料的滯彈性及塑性滯后現(xiàn)象進行研究，從而提高檢測結(jié)果的準確性。

圖1 典型鈦合金蠕變-時間曲線

1 滯彈性

一般來說，滯彈性是指材料有應(yīng)變落后于應(yīng)力的現(xiàn)象，它表征材料的形變在應(yīng)力移去后能夠恢復(fù)但不是立即恢復(fù)的能力。其本質(zhì)為彈性模量不再為常數(shù)，而是表現(xiàn)為與時間有關(guān)的彈性行為，即滯彈性。滯彈性的應(yīng)變在應(yīng)力卸除后可以完全恢復(fù)，只需要足夠長的時間。這是一種材料在彈性范圍內(nèi)的非彈性現(xiàn)象。

滯彈性一般有三種典型的表現(xiàn)形式，分別為彈性后效，應(yīng)力松弛及內(nèi)耗。最重要的效應(yīng)為內(nèi)耗。

材料在拉伸過程中滯彈性的典型表現(xiàn)如圖2。具有滯彈性的材料，應(yīng)力瞬間加載時，應(yīng)變落后于應(yīng)力，最后在t1 時刻達到一恒定值保持恒定，卸載時，先恢復(fù)一部分變形，然后經(jīng)過足夠長的時間，應(yīng)變緩慢恢復(fù)到未加載前的初始狀態(tài)。

圖2 典型滯彈性應(yīng)變-時間曲線

（1）彈性后效指的是在施加的應(yīng)力保持恒定不變的情況下，材料的彈性變形量隨著時間的延長而增加的現(xiàn)象。這屬于一種加載(或卸載)后經(jīng)過一段時間應(yīng)變才隨之增加(或減小)到的現(xiàn)象。在去除載荷后，變形不能夠立即恢復(fù)而需要經(jīng)過一段足夠時間之后，才能逐漸恢復(fù)原狀。鈦合金材料材料越均勻，其彈性后效越小。對于高熔點的材料，彈性后效效應(yīng)不太明顯。一般來說，將加載時應(yīng)變落后于應(yīng)力的現(xiàn)象稱為正彈性后效，也稱為彈性蠕變或冷蠕變;將卸載后應(yīng)變落后于應(yīng)力的現(xiàn)象稱為反彈性后效。

彈性后效發(fā)生在彈性蠕變之后，無論是正彈性后效或是反彈性后效，都是在彈性范圍內(nèi)表現(xiàn)出應(yīng)變的弛豫現(xiàn)象，統(tǒng)稱為滯彈性。

彈性后效是彈性材料的非彈性性能之一，對儀表的精度有著直接的影響。

（2）應(yīng)力松弛一般指彈性變形量恒定的情況下，材料構(gòu)件內(nèi)部承受的應(yīng)力隨著時間延長逐漸降低的現(xiàn)象；在維持恒定變形的材料中，應(yīng)力會隨時間的增長而減小，這種現(xiàn)象為應(yīng)力松弛，它可理解為一種廣義的蠕變。

測定應(yīng)力松弛曲線是測定松弛模量的實驗基礎(chǔ)。高溫下的緊固零件，其內(nèi)部的彈性預(yù)緊應(yīng)力隨時間衰減，會造成密封泄漏或松脫事故。松弛過程也會導(dǎo)致超靜定結(jié)構(gòu)中內(nèi)力隨時間進行重新分布。設(shè)法加速松弛過程可以通過采用振動法消除殘余應(yīng)力而實現(xiàn)，以便消除材料微結(jié)構(gòu)變形不協(xié)調(diào)引起的內(nèi)應(yīng)力。使流動的粘彈性流體速度梯度減小或突然降為零，流體中的應(yīng)力逐漸降低或消失的過程也稱為應(yīng)力松弛。

（3）內(nèi)耗：由于應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的不可逆性導(dǎo)致?lián)p耗。在材料發(fā)生循環(huán)應(yīng)力—彈性變形過程中，由于其內(nèi)部各種微觀因素的原因要消耗能量的現(xiàn)象，能量主要轉(zhuǎn)換成熱能而失散。從宏觀上看，金屬的滯彈性行為是引起內(nèi)耗的主要因素，因此也可以稱為滯彈性內(nèi)耗。

2 經(jīng)典蠕變理論：塑性滯后理論

2.1 理論的提出

經(jīng)過一段拉伸蠕變期再進行卸載，試件除彈性變形完全恢復(fù)外，蠕變變形部分緩慢縮小的現(xiàn)象稱為蠕變恢復(fù)（回復(fù)）[2]。對大部分材料而言，蠕變回復(fù)的變形量隨時間延長而增加，但是僅僅只能回復(fù)第一階段所積聚蠕變量的一部分，并且這種蠕變恢復(fù)現(xiàn)象必須在保持高溫的條件下才會發(fā)生，如果溫度隨卸載降至室溫，上述蠕變恢復(fù)現(xiàn)象就不會出現(xiàn)。經(jīng)典蠕變理論中的塑性滯后理論可以描述此蠕變恢復(fù)現(xiàn)象。塑性滯后理論是在沃爾泰拉提出的彈性后效理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。所謂彈性后效理論是有后效效應(yīng)的彈性體，在卸載后變形不能夠立即恢復(fù)，而需要經(jīng)過相當長時間才逐漸達到完全恢復(fù)，這種現(xiàn)象稱為彈性后效。由于考慮到蠕變試驗中的有后效現(xiàn)象，但變形是屬于塑性的，卸載后變形不可能全部恢復(fù)，因此稱為塑性后效現(xiàn)象，并認為這種有后效的彈塑性體不論在加載過程還是卸載過程，應(yīng)變是時間的函數(shù)且由兩部分組成，一是與應(yīng)力呈非線性關(guān)系的瞬時變形部分，另一是由過去加載所產(chǎn)生的后效部分，即曾經(jīng)在瞬時t。所加載荷對瞬時t 變形的影響。

2.2 塑性滯后理論的驗證

柯受全[3]等人采用合適的G（t）函數(shù)，將實驗數(shù)據(jù)代入塑性滯后理論公式中計算的得出的曲線近似與實驗曲線符合，驗證了塑性滯后理論的真實性。塑性滯后理論雖然計算比較復(fù)雜，但是如果取得G（t）函數(shù)比較合適，得到的結(jié)果則會越接近真實的蠕變試驗曲線。

3 常用蠕變標準中的規(guī)定

（1）HB 5151-1996[4]中提到，蠕變試樣經(jīng)拉伸一段時間后卸載，彈性變形立即恢復(fù)，之后每15min 測量一次變形，直至變形基本無變化為止。最終測得的變形即為塑性變形，對彈性變形的定義包含了卸載后回復(fù)的應(yīng)變，即滯彈性應(yīng)變，總塑性伸長率等同于殘余伸長率。

（2）GB/T 2039-2012[5]中彈性變形通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線獲得，總塑性伸長率包括滯彈性變形與殘余伸長率，相當于將滯彈性定義為蠕變試驗過程中材料產(chǎn)生的塑性變形。標準中將卸除主試驗力后的一段時間，應(yīng)變隨著時間的推移而降低的現(xiàn)象定義為滯彈性，但其中提到，在大多數(shù)情況下，滯彈性應(yīng)變是可以忽略不計的，塑性應(yīng)變與殘余應(yīng)變之間沒有差異。

然而實際對鈦合金進行拉伸蠕變試驗時，得到的蠕變應(yīng)變-時間曲線如圖1 所示，出現(xiàn)了明顯的蠕變恢復(fù)現(xiàn)象。卸載后根據(jù)試驗條件的不同，蠕變恢復(fù)的程度不同，試驗溫度或應(yīng)力越低，蠕變回復(fù)現(xiàn)象越明顯，往往卸載后幾十小時后，蠕變回復(fù)現(xiàn)象仍然不會停止，顯然滯彈性變形不能被直接忽略，導(dǎo)致總塑性伸長率明顯大于殘余伸長率。針對塑性伸長率結(jié)果的報出，殘余塑性與總塑性伸長率顯然不能混為一談。

（3）ASTM E139-11（R2018）[6]中未提到蠕變恢復(fù)現(xiàn)象，在彈性變形與塑性變形在同一數(shù)量級時，即材料產(chǎn)生的彈性變形與總變形相差不大時，彈性變形可通過卸載產(chǎn)生的瞬時收縮獲得。一般蠕變試驗時，選用的試驗應(yīng)力遠低于材料的屈服強度，故一般情況下蠕變試驗產(chǎn)生的總塑性變形量都比較小，彈性變形量可直接通過在規(guī)定的蠕變試驗時間后立即卸載，測量卸載瞬間恢復(fù)的變形量得到。彈性變形也可在加載過程中測得，但是加載過程中往往出發(fā)生起始塑性變形，與卸載法相比較，通過卸載的方式測量彈性變形更為方便且準確。

ASTM E139-11（R2018）中總塑性伸長率的定義與GB/T 2039-2012 一致，都是起始塑性變形量加上加載完成后測得的蠕變伸長量，但卸載后不考慮蠕變恢復(fù)現(xiàn)象，即卸載瞬間恢復(fù)的變形量為彈性變形量，未恢復(fù)的部分為總塑性伸長。

4 結(jié)論

（1）滯彈性的應(yīng)變在應(yīng)力卸除后可完全恢復(fù)，而蠕變試驗卸載后的變形不可能全部恢復(fù)，因此這種蠕變恢復(fù)現(xiàn)象用塑性滯后理論來解釋更為合適。

（2）根據(jù)ASTM E139 測量材料的的總塑性應(yīng)變時，直接可以采用試驗過程中的材料產(chǎn)生的總應(yīng)變減去卸載瞬間恢復(fù)的應(yīng)變得到。由于卸載后不用考慮蠕變恢復(fù)現(xiàn)象，忽略了漫長的蠕變回復(fù)過程，試驗效率會得到有效提高。

（3）GB/T 2039-2012 及HB5151-1996 中定義的滯彈性應(yīng)為塑性滯后現(xiàn)象，應(yīng)將這部分應(yīng)變作為總塑性應(yīng)變的一部分，且不可忽略不計。針對塑性變形結(jié)果的報出，應(yīng)根據(jù)客戶需求將總塑性變形及殘余塑性變形嚴格區(qū)分開來。