TA2钛板室温拉伸方法及速率对试验结果的影响

单向静拉伸试验是工业上应用最广泛的金属力学性能试验方法之一，其中抗拉强度代表金属材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力，屈服强度代表金属材料起始塑性变形抗力，伸长率考量的是材料断裂前发生塑性变形的能力[1]。

1、试 验

1.1 试样制备

选择 6个批号经退火热处理，规格为δ8的TA2钛板材，每个批号分成两组，一组按照国标 GB/T228.1中表 D.2 矩形横截面比例试样中的 P7加工试样，试样宽度20mm，平行段长度 70 mm。另一组按照美标ASTM E8/E8M-16a 加工成宽度为 12.5 mm，标距为50 mm的试样。

1.2 试验设备

采用美特斯 CMT5205电子拉力试验机，配备 0.5级 20 kN负荷传感器和 0.5级标距为 50 mm的电子引伸计。

1.3 试验方案

GB/T228.1-2010中方法 A定义了两种不同的应变速率控制模式，基于引伸计反馈得到的应变速率^e_Le 和根据平行部分估计的应变速率 ^e_Le 。对于不能直接控制应变速率的试验机可通过^e_Le 与平行长度L_c的乘积得到恒定的横梁位移速率。应变速率在试验的不同阶段有着不同的要求，方法 A中给出了 4种速度范围，分别适用于试验的各个阶段[3]。本试验采用试样平行长度和应变速率估算横梁位移速率V_c。

V_c=L_c×^e_Le （1）

式中： ^e_Le 为平行长度估算的应变速率； L_c为试样平行长度。

采用国标进行拉伸试验时，利用公式 1计算屈服前 横梁位移速率可选择范围为 0.235 2~1.26 mm/min，屈服后为 0.84~33.786 mm/min。根据美标进行试验时屈服前应变速率计算范围为 0.5~1 mm/min，屈服后2.5~25 mm/min[4]。

本次试验选用 6个批号的 TA2板材加工成拉伸试样，每个批号分别加工成一个国标试样和两个美标试样。采用国标拉伸时，屈服前速率选用 0.3 mm/min。采用美标拉伸试验时，其中一个试样拉伸试验时屈服前速率选用 0.3 mm/min，另外一个试样拉伸试验时，其中三个批号屈服前拉伸速率选用 0.6 mm/min，另外三个批号屈服前拉伸速率选用 0.9 mm/min，分别用于国标试验方法的比对和采用相同方法时比对拉伸速度对屈服和抗拉强度的影响。试样屈服后应变大于 2%时摘取引伸计，屈服后拉伸速度全部选用10 mm/min。

2、试验结果与讨论

2.1 试验结果

拉伸试验结果如表1所示。

2.2 国标与美标试验方法对拉伸结果的影响

由表 1可以看出，美标试验方法比国标试验方法在抗拉强度 R_m和屈服强度 R_P0.2结果中呈现出整体偏大现象，批号不同，偏大程度不同。对国标和美标两种宽度的试样进行理想化处理，国标试样宽度为20mm，宽度和厚度比值较大，将试样的受力情况简化为只受纵向的应力，处于平面应力状态。美标的试样宽度为 12.5mm，宽度和厚度比值变小，横截面接近于正方形，拉伸试样原来所受的单向应力状态被破坏，出现三向应力状态，在三向应力状态下，材料的塑性变形比较困难，为了继续塑性变形，就必须提高轴向应力，最终的结果表现为美标的抗拉强度和屈服强度都比国标的要高[5]。

2.3 拉伸速率对拉伸试验结果的影响

采用美标试验方法试验时，屈服前速率为 0.6mm/min 比 0.3 mm/min 屈服强度平均大约 7 M Pa。

0.9 mm/min 比 0.3 mm/min 屈服强度平均大约 11 MPa，随着应变速率的增大，屈服强度随之增大，且有减缓趋势。其主要原因是随着应变速率的增加，晶体开动的位错源数量增多，滑移系增多，不同位错源释放出的位错，导致位错密度增大，位错之间形成位错锁、位错塞积或缠结等交互作用，阻碍位错运动能力增强，这就需要更大的外力才能继续维持其应变[2][3][6]，这也从一定程度上解释了屈服强度随应变速率的增大而增大的原因。屈服后，应变速率相同，抗拉强度和断后伸长率则不受影响。

3、结论

（1）分别采用国标与美标试验方法进行TA2钛板材拉伸试验时，在应变速率相同的情况下，美标试验方法比国标试验方法在抗拉强度 R_m和屈服强度 R_P0.2结果中呈现出整体偏大情况，批号不同，偏大程度不同。断后伸长率国标比美标大 0.5%~1.5%，屈服强度和抗拉强度的差值基本保持一致。

（2）钛及钛合金具有连续屈服特征，采用美标方法拉伸时，屈服前，不同应变速率对屈服强度的影响较为明显，0.6 mm/min比 0.3 mm/min进行试验时屈服强度平均大约 7 M Pa；0.9 mm/min比 0.3 mm/min屈服强度平均大约 11 M Pa，随着应变速率的增大，屈服强度随之增大，且有减缓趋势。屈服后，应变速率相同，抗拉强度和断后伸长率则不受影响，从而也体现出随着屈服前应变速率的提高。

参考文献

[1]束德林.工程材料力学性能[M]. 北京：机械工业出版社，2017：9-23.

[2]刘智恩.材料科学基础[M]. 陕西：西北工业大学出版社，2007：212-233.

[3]GB/T228.1-2010 金属材料室温拉伸试验方法第 1 部分：室温试验方法[S].

[4]ASTM E8/E8M-16a StandardTestMethodsforTensionTesting ofMetallicMaterials[S].

[5]武延民.钢结构脆性断裂的力学机理及其工程设计方法研究[D].清华大学，2005 .

[6]张先锋，徐魁龙，陈庆垒，孙前进 .应变速率对 TC4合金拉伸试验的影响 [J].热加工工艺，2014，43（22）:79 .

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