TA2（金屬牌號）是按工業(yè)純鈦的所含雜質(zhì)元素等級劃分而得，其雜質(zhì)含量及力學(xué)性能一般都介于TA1和TA3之間。與其他金屬材料相比，其具備良好的比強度、抗沖擊、焊接性、抗腐蝕、生物兼容等性能，因此在船舶制造、航天航空、生物醫(yī)療等重要工業(yè)科技領(lǐng)域中具有巨大使用價值［1-2］。在材料的日常工業(yè)應(yīng)用中，零件材料難免會受到循環(huán)載荷，以致影響整個部件的使用安全。近幾十年來，國內(nèi)外學(xué)者在各種材料循環(huán)載荷的力學(xué)行為及仿真模擬方面已有一些研究，但在循環(huán)載荷頻次與力學(xué)行為關(guān)聯(lián)關(guān)系方面卻少有論述。本文以TA2為研究對象，考慮循環(huán)載荷次數(shù)對材料力學(xué)性能的影響，通過對比測試，得到TA2材料在不同次數(shù)的循環(huán)載荷下力學(xué)性能數(shù)據(jù)并對其進行分析。

1、實驗材料與方法

1.1實驗材料

選取直徑為3mm、硬度為148.3HV0.1的工業(yè)純鈦（TA2）鈦絲材，以其為研究對象，化學(xué)成分按照GB/T4698采用化學(xué)元素滴定法測得，結(jié)果列于表1。

1.2實驗方法

將TA2材料放置于1000℃高溫爐中保溫1h后空冷處理，獲得退火態(tài)試樣TA2/M。對試樣橫向和縱向截面分別取樣進行拋光，然后用氫氟酸+硝酸+水溶液（體積比為2∶1∶17）進行侵蝕，獲得TA2/M金相試樣，利用LeicaDM-4000M正置金相顯微鏡儀器對其觀察。圖1為試樣TA2/M的顯微金相結(jié)構(gòu)。從圖1可見，在三維空間出現(xiàn)魏氏ɑ相，其為層片集束形式，這是由于形核長大過程中β相向低溫同素異構(gòu)ɑ轉(zhuǎn)變的一種產(chǎn)物。

將單軸拉伸與不同循環(huán)載荷次數(shù)下的退火態(tài)TA2的力學(xué)性能進行對比研究。拉伸及循環(huán)載荷實驗的位移速率均為1mm·min?1，循環(huán)載荷實驗在應(yīng)變0.5%時開始，每次經(jīng)過等量應(yīng)變后采用力控制進行卸載至0N，再重新加載，依次循環(huán)，直至試樣斷裂。

2、結(jié)果與討論

對單軸拉伸及循環(huán)載荷下TA2/M在屈服后期—塑性變形—緊縮階段的材料力學(xué)行為進行了研究，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。從圖2可見：TA2/M單軸拉伸強度為431MPa，循環(huán)載荷10次的TA2/M試樣的抗拉強度為425MPa，而循環(huán)載荷20次的TA2/M試樣的抗拉強度為421MPa；隨著循環(huán)加載次數(shù)的增多，塑性變形階段的拉伸應(yīng)力出現(xiàn)緩慢上升，這是由于TA2絲材在循環(huán)載荷過程中位錯發(fā)生了相應(yīng)的滑移，原有晶粒被拉長，位錯密度增加且?guī)缀伪匾诲e得到不斷積累；循環(huán)載荷后的TA2/M相比單軸拉伸，材料的斷后伸長率也有明顯增加，在循環(huán)載荷20次范圍內(nèi)，斷后伸長率會隨循環(huán)載荷次數(shù)的增多而增大。

圖3為背應(yīng)力和有效應(yīng)力計算關(guān)系示意圖，表示在循環(huán)載荷20次過程中的一個應(yīng)力幅。其中，σ_r為循環(huán)載荷過程中的加載屈服應(yīng)力、σ_u為卸載應(yīng)力［3-5］、σflow為流變應(yīng)力，影響應(yīng)力幅的主要因素是有效應(yīng)力σ_eff和背應(yīng)力σ_back，他們的計算關(guān)系如下面公式所示［6］。

圖4為背應(yīng)力和有效應(yīng)力隨應(yīng)變變化的曲線。從圖4可見，在屈服點附近時有效應(yīng)力和背應(yīng)力相當(dāng)，在塑性變形階段（應(yīng)變大于0.5%）背應(yīng)力對流變應(yīng)力的影響逐漸大于有效應(yīng)力，在頸縮階段背應(yīng)力和有效應(yīng)力均呈現(xiàn)下降趨勢，這是因為加工硬化率在塑性變形階段就已經(jīng)急劇下降。

3、結(jié)論

（1）對比單軸拉伸與不同循環(huán)載荷次數(shù)下TA2/M的力學(xué)性能發(fā)現(xiàn)，循環(huán)載荷后的TA2/M相比單軸拉伸的斷后伸長率明顯增加，且在循環(huán)載荷20次范圍內(nèi)斷后伸長率會隨循環(huán)載荷次數(shù)的增多而增大。

（2）由于TA2鈦絲材在循環(huán)載荷過程中位錯發(fā)生了相應(yīng)的滑移，原有晶粒被拉長，位錯密度增加且?guī)缀伪匾诲e得到不斷積累，因此隨著循環(huán)加載次數(shù)的增多，TA2/M的塑性變形階段的拉伸應(yīng)力出現(xiàn)緩慢上升。

（3）由于TA2/M在塑性變形階段加工硬化率的急劇下降，使得材料在頸縮階段背應(yīng)力和有效應(yīng)力均呈現(xiàn)下降趨勢。

參考文獻：

［1］ 劉以波，徐鋒，姚雷，等 .TA2 工業(yè)純鈦連續(xù)冷卻過程中 β→α 相變的原位觀察［J］.機械工程材料，2011，35（1）：26-28.

［2］ PACHLA W，KULCZYK M，PRZYBYSZ S，et al.Effect of severe plastic deformation realized by hydrostatic extrusion and rotary swaging on the properties of CP Ti grade［J］.Journal of Materials Processing Technology，2015，221（2）：255-268．

［3］ JINX， ZHOU Y， ZHANG L， et al.A novel Fe20Co20Ni41Al19， eutectic high entropy alloy with excellent tensile properties［J］.Mater Lett，2018，216： 144-146.

［4］ JIN X，BI J，ZHANG L，et al.A new CrFeNi2Al eutectic high entropy alloy system with excellent mechanical properties［J］.J Alloy Compd，2019，770： 655-661.

［5］ YANG M X，PAN Y，YUAN F P，et al.Back stress strengthening and strain hardening in gradient structure ［J］，Mater Res Lett，2016（4）：1-7.

［6］ MOANG D， EMBURY J D.A study of the bauschinger effffect in Al-Cu alloys［J］.Acta Metall，1979，27：903-914.

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