于翔宇，張博文

（中國船舶科學研究中心 深海載人裝備國家重點實驗室，江蘇 無錫 214082）

0 引 言

包申格效應是指金屬材料經(jīng)過預先加載產(chǎn)生一定塑性變形后，卸載再反向加載，規(guī)定殘余應力降低的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在金屬材料中普遍存在，在實際工程應用中，包申格效應會使材料的反向屈服強度降低，在承受循環(huán)載荷的結(jié)構(gòu)中影響材料的力學性能及使用壽命。包申格效應的機理和規(guī)律的研究已成為塑性變形理論研究中較為重要的組成部分，對于材料的發(fā)展和使用有重要意義。鈦及鈦合金因比強度高、耐腐蝕性能好等優(yōu)點逐漸應用于海洋工程、航天、航空及壓力容器等領域[1]，其包申格效應的程度和表征及對結(jié)構(gòu)件服役性能的影響需要進一步研究。

對于金屬材料的包申格效應，目前有許多學者進行了模型方面的研究。H ZIEGLER[2]提出了一種隨動硬化模型描述彈塑性材料在單向應力應變下的曲線，但這種線性動態(tài)硬化模型只能粗略地描述包申格效應。L GENG等[3]提出了非線性工作硬化模型，引入了一個耦合面描述循環(huán)加載中的永久軟化現(xiàn)象。材料根據(jù)晶體排列可以分為單晶體和多晶體，根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)不同，又可分為面心立方、體心立方和密排六方。K HAN等[4]對鋼在不同應變速率下的包申格效應進行了研究，認為在較低的應變速率下，新位錯的增值充分導致位錯密度變大，繼而使位錯的活動性增大。N CHAWLA等[5]對Fe-Mo合金進行試驗得出的應力應變滯后曲線表明，包申格應力和應變的大小與初始加載方向有較大的關(guān)系，施加壓-拉載荷測得的應力/應變值是施加拉-壓載荷情況的2倍。目前，隨著鈦合金的大規(guī)模應用，相關(guān)的工藝參數(shù)研究和熱鍛造工藝研究已經(jīng)開展[6,7]，其包申格效應的表現(xiàn)和影響尚未進行研究，已有模型和規(guī)律能否應用于鈦合金成形及結(jié)構(gòu)體建模中尚需系統(tǒng)研究。

以下對TC4 ELI鈦合金板料進行了循環(huán)加載試驗，獲得了TC4 ELI材料在多個預應變量水平下的循環(huán)加載應力-應變曲線，對其包申格效應進行了定量研究，分析了包申格應變、包申格應力參數(shù)和包申格能量參數(shù)的變化趨勢，為TC4 ELI在工程中的應用提供了參考。

1 材料及試驗

TC4 ELI是一種α+β型鈦合金，約含有6%的鋁和4%的釩，占有50%的鈦合金用量。試驗所使用的TC4 ELI是退火狀態(tài)，其主要的力學性能分別為：彈性模量110 GPa，密度4.44 g/mm3，泊松比0.34，屈服強度770 MPa，抗拉強度936 MPa，延伸率14%，斷面收縮率30%。

循環(huán)加載的試樣如圖1所示，試樣厚度為5 mm，長度均沿軋制方向切割。

圖1 循環(huán)加載試驗試樣

循環(huán)加載試驗在INSTRON 8801試驗機上進行，動態(tài)載荷幅度為±100 kN。試樣標定長度為14 mm，其位移由夾持在其上的引伸計精確測得，如圖2所示。加載速度設置為0.15 mm/s。為了防止出現(xiàn)彎曲，應變幅度分別設置為2%、3%和4%。以2%應變幅度為例，試驗加載過程先由初始狀態(tài)單向拉伸至1%應變水平，然后卸載至應力為0，繼續(xù)反向加載（即壓縮）至-1%的應變水平，然后卸載至應力為0，繼續(xù)正向加載（即拉伸）至1%的應變水平，如此重復4個周期，由試驗機配套的軟件獲取整個過程的應力-應變曲線。

圖2 循環(huán)加載試驗裝置

2 試驗結(jié)果

對3件試樣分別進行2%、3%和4%應變幅度的循環(huán)加載后，通過引伸計獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)換算后得到真實應力-真實應變曲線如圖3所示。

圖3 循環(huán)加載試驗獲得應力應變曲線

對于TC4 ELI鈦合金，應力增加的幅度隨應變循環(huán)次數(shù)的增加而有所增大，并逐漸達到飽和，且循環(huán)加載導致的材料硬化與循環(huán)加載應變幅度有關(guān)，應變幅度越大，材料硬化程度越小。

描述材料包申格效應大小的常見指標有包申格應變β，是指在一定應力條件下正向和反向2種加載方式下的應力-應變曲線之間的應變差。還有包申格應力參數(shù)（Bauchinger strain parameter,BSP）和包申格能量參數(shù)（Bauchinger energy parameter,BEP），表達式分別如式（1）和（2）所示。

其中，σf為初始正向流變應力，MPa；σr為反向屈服應力，MPa；σy為初始屈服應力，MPa。

對應變幅度為2%、3%和4%的循環(huán)加載試驗數(shù)據(jù)分析后，獲得的β、BSP和BEP參數(shù)結(jié)果如圖4所示，其中β的應力條件以850 MPa為計算基準，σy以770 MPa為計算基準。

由圖4可以看到，隨預應變量的增加，β和BSP均增大，且變化趨勢與應變幅度有近似線性關(guān)系。BEP則變化不大，維持在4.61～4.81，變化幅度與β和BSP相比較為穩(wěn)定。反向屈服應力σr隨應變幅度的增大而明顯降低（圖4（a）中負號表示反向），即應變幅度越大，包申格效應越明顯。

圖4 TC4 ELI循環(huán)加載包申格效應表征參數(shù)對比

3 結(jié)束語

以TC4 ELI鈦合金為研究對象進行了應變幅度為2%、3%和4%的循環(huán)加載試驗，對TC4 ELI的包申格現(xiàn)象進行了試驗觀察研究。試驗結(jié)果表明，TC4 ELI鈦合金的包申格效應隨預應變的增加而增大，反向屈服強度隨預應變的增加而顯著減小，包申格應變及BSP與預應變量有近似的線性增加關(guān)系，而BEP則隨預應變量變化不大。