两相钛合金高温动态拉伸力学行为的研究

通过对两相钛合金实施低温、常温和高温环境的准静态和高应变率拉伸试验，研究其拉伸力学行为的温度和应变率相关性；在进一步改进和完善冲击拉伸加卸载试验技术的基础上，实施不同环境温度和应变率的冲击拉伸复元试验、不同应变率的冲击拉伸温度跳跃试验和不同环境温度的冲击拉伸应变率跳跃试验，深入研究钛合金的热力耦合特性以及温度和应变率历史效应；利用上述试验技术并结合材料微观结构分析手段，研究钛合金在拉伸加载下温度、应变率相关的塑性变形、损伤和破坏机理以及微观组织的演化规律；建立计及温度影响、应变率影响和热力耦合效应的宏观本构模型和基于晶体塑性理论的多晶细观数值本构模型，以表征钛合金的宏观拉伸力学行为和微结构演化机制。上述超常环境和加载条件下（高低温和高应变率）拉伸力学行为的测试、分析和表征研究将为钛合金的工程应用和设计及材料改性提供可靠的实验数据和理论依据。

轻质高强的两相钛合金作为结构材料在军事和民用领域内具有广泛的应用，其在服役过程中可能会遇到极端环境和极端加载条件，如高温和高应变率，准确测试和有效表征两相钛合金温度和应变率相关的力学行为对于工程结构设计是十分必要的。本项目针对钛合金TC11在较宽温度（环境温度213-873K）和应变率（0.001-1150/s）范围内的拉伸力学行为进行了测试和表征。改进了高应变率拉伸加卸载试验系统，设计了变截面前置金属短杆和高刚度的限位机构，实现了更高应变率的冲击拉伸加卸载试验。基于冲击拉伸试验技术，获得了高应变率下TC11的绝热应力-应变曲线；基于冲击拉伸复元试验技术，获得了高应变率下TC11的等温应力-应变曲线；基于冲击拉伸加卸载试验技术，实施了温度跳跃和应变率跳跃试验。测试结果表明，TC11的拉伸力学行为呈现出明显的温度和应变率敏感特征。初始屈服应力随应变率的增加而增大，呈现出明显的应变率强化效应；初始屈服应力随环境温度的升高而减小，呈现出明显的温度软化效应；等温塑性应变硬化行为呈现出对温度和应变率的不敏感性，高应变率加载下的瞬态绝热温升是导致材料应变硬化率显著降低的主要原因；高应变率加载时TC11的热功转换系数约为0.9，且其拉伸力学行为无明显的温度历史效应和应变率历史效应。拉伸变形后试件的断口形貌观察结果表明，TC11的拉伸断裂机理为典型的韧性断裂。结合TC11拉伸力学行为的特征，提出了修正的Johnson-Cook宏观唯象本构模型。修正模型同时计及了高应变率加载时绝热温升对材料应变硬化率的软化效应，以及温度和应变率对初始屈服应力和应变硬化行为的不同影响；给出了合理确定本构模型参数的实验方法，并利用温度跳跃和应变率跳跃试验结果验证了修正模型的有效性，较好地表征了TC11在较宽温度和应变率范围内的拉伸力学行为。基于经典晶体塑性理论和等应力均匀化方法，建立了计及初生α晶和α+β片层晶群及其取向分布规律的两相钛合金细观数值本构模型；通过对模型参数进行合理预置和约束，确定了两相钛合金拉伸应力-应变行为与滑移系的初始临界切应力以及初始硬化模量的对应关系，给出了各滑移系的初始临界切应力值，较好地模拟和揭示了不同温度和应变率加载时TC11的拉伸变形行为和机制。