0. 引言
纯钛具有比强度高、耐腐蚀性好、热稳定性和焊接性能良好等优点,广泛用于航空航天、核工业、生物材料、海洋工程等领域[1-2]。在实际服役过程中,工程装备如换热设备等不仅承受频繁启停和变负荷导致的机械及热应力循环载荷,还承受着稳态运行引起的蠕变载荷,从而导致材料的蠕变和棘轮变形[3-4]。蠕变与棘轮变形的共同作用会加快材料的损伤演化,进而影响设备的安全运行[5]。此外,设备在服役时还会受到不同加载速率的循环载荷影响[6-7]。因此,开展工业纯钛的蠕变-棘轮交互作用及时间相关性棘轮行为的研究具有重要的工程意义。
近年来,许多学者针对纯钛材料的时间相关性变形行为进行了研究。ZENG等[8]和PENG等[9]通过不同应变速率下的单轴拉伸试验发现,室温下纯钛的拉伸行为对应变速率较为敏感。金属材料的蠕变行为通常在高温下发生[10-13],但是纯钛在室温下就出现了明显的蠕变现象[14-15]。对此,学者们开展了研究,发现纯钛在室温下的蠕变变形机制非常复杂,包括晶内的位错运动、孪晶变形及晶界滑移等[16-17]。此外,纯钛在非对称应力控制循环载荷下具有显著的棘轮行为[18-19]。CHANG等[20]研究发现,平均应力、应力幅和峰值应力的增加都会促进室温下工业纯钛的棘轮行为,但该研究未考虑应力速率的影响。PENG等[21]研究发现,在保载循环（在循环过程中保持恒定峰值或谷值应力一段时间）条件下,高应力下工业纯钛的蠕变和棘轮行为显著,低应力下蠕变和棘轮行为减弱。但是,该研究的加载方式为拉伸-卸载循环,未考虑其他循环变形加载方式的影响。
目前,对于工业纯钛的时间相关棘轮行为仍缺乏系统的研究,有关应力速率、峰/谷值应力保持时间和保持形式等因素对棘轮行为的影响研究较少,同时蠕变-棘轮交互作用下的时间相关棘轮行为也尚未厘清。为此,作者在室温下对TA2纯钛进行了一系列单轴非对称应力控制循环变形试验,研究了应力水平、应力速率、峰/谷值应力保持时间和保持形式以及加载历史等多种因素对棘轮行为的影响,以期为建立TA2纯钛的时间相关本构模型提供数据支撑。
1. 试样制备与试验方法
试验材料为直径22 mm的TA2纯钛棒材,由宝鸡钛业股份有限公司提供,供货状态为热加工态（R）,化学成分（质量分数/%）为0.16Fe,<0.01C,<0.01N,0.001H,0.15O,<0.40杂质元素（Mg,Al等）,余Ti。按照GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》加工出如图1所示的试样,标距段直径10 mm,长度30 mm。按照GB/T 2965—2007《钛及钛合金棒材》在GSL-1100X型管式炉中对试样进行热处理,温度为650 ℃,保温1 h空冷。
采用MTS809型液压伺服材料试验机在室温下对试样分别进行不同应变速率（10−3,10−4 s−1）的单调拉伸试验、不同应力（420,460 MPa）下的蠕变试验以及不同加载工况下的非对称应力控制循环变形试验,采用MTS634.31F-24型应变引伸计测量轴向应变,量程为−10%~20%。非对称应力控制循环变形试验参数如表1所示。
| 加载方式 | 平均应力/MPa | 应力幅/MPa | 应力速率/(MPa·s−1) | 循环次数/周次 | 峰值应力保持时间/s | 谷值应力保持时间/s |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 拉-压循环 | 40, 60, 80 | 360 | 100 | 100 | 0 | 0 |
| 拉-压循环 | 60 | 360, 380, 400 | ||||
| 拉-拉循环 | 280, 300, 320 | 150 | ||||
| 拉-压循环 | 60 | 360 | 20, 100, 200 | 100 | 0 | 0 |
| 拉-拉循环 | 220 | 220 | 20, 100, 200 | |||
| 拉-压循环 | 60 | 360 | 100 | 100 | 10 | 0 |
| 20 | 0 | |||||
| 10 | 10 | |||||
| 20 | 20 | |||||
| 变平均应力4级加载 | 280→300→320→280 | 150 | 100 | 50 | 0 | 0 |
| 变应力幅4级加载 | 60 | 360→380→400→360 |
为了与峰值应力保持10 s下的非对称应力控制循环变形试验保持相同的总蠕变时间,将蠕变阶段设置为1 000 s。考虑蠕变-棘轮交替进行的影响,分别进行先拉-压循环变形后蠕变试验（即循环100周次后,再蠕变1 000 s,蠕变应力为循环时的峰值应力）和先蠕变后拉-压循环变形试验（即蠕变1 000 s后,再循环100周次,蠕变应力为循环时的峰值应力）。文中所指应力和应变均为工程应力和工程应变。
2. 试验结果与讨论
2.1 单调拉伸与蠕变行为
由图2可以看出：TA2纯钛的单调拉伸曲线具有明显的屈服平台；随着应变速率从10−4 s−1增加到10−3 s−1时,TA2纯钛的屈服强度由348 MPa升高至382 MPa,说明TA2纯钛的单调拉伸行为具有显著的应变速率敏感性。
由图3可以看出,TA2纯钛在室温下具有明显的蠕变变形行为,应变随时间延长而增加。在蠕变第一阶段,蠕变应变先快速增加后增速变缓,即蠕变速率逐渐减慢；进入蠕变第二阶段后,蠕变速率保持稳定。应力水平越高,相同蠕变时间内蠕变应变增加幅度越大,蠕变速率越高,蠕变更快进入稳定增长阶段。这与CHANG等[22]得到的TA2工业纯钛室温蠕变现象一致。
