论文导读:：采用旋转盘式杆杆型动态拉伸试验机对TiCP颗粒增强钛基复合材料及其基体钛合金的动态拉伸性能进行了研究。同时为了比较，在MTS810试验机上做了两种材料的准静态试验。试验结果表明，复合材料及基体材料屈服后至材料的迅速失效，几乎没有应变硬化效应；复合材料的抗拉强度和屈服强度较基体明显提高，但延性明显下降；钛合金基体和复合材料均有明显的应变率强化效应，但复合材料的应变率强化效应明显高于基体；建立了复合材料率相关的本构关系。最后从位错等微观角度分析了复合材料的强化机理、复合材料的应变率敏感性以及复合材料应变率敏感性高于基体的原因。
论文关键词：TiC<sub>P</sub>复合材料,动态拉伸性能,高应变率,位错
1 引言
颗粒增强金属基复合材料因其具有较高的比强度、比刚度以及良好的加工性能在结构和工程上得到越来越广泛的应用［1］。但复合材料强度提高的同时，其延性却明显下降。近年来，国内外的学者对复合材料的弹塑性性能进行了广泛的研究［2-7］，内容涉及失效机制，如颗粒的断裂、基体和增强颗粒界面的脱粘、基体的延性失效及加工工艺及热处理对复合材料性能的影响等。
大多数金属材料和金属基复合材料的强度会随应变率的提高而提高，且复合材料的应变率敏感性通常取决于基体的应变率敏感性以及基体和增强颗粒界面的结合情况等。本文将对TiCp/Ti 复合材料的动态拉伸性能进行研究，建立其率相关的本构关系，并从微观角度讨论其强化断裂机理、应变率敏感性以及复合材料应变率敏感性高于基体的原因。
2动态拉伸试验
2.1 试验系统及原理
冲击拉伸试验在中国科技大学的旋转盘式杆—杆型冲击拉伸试验机（SHTB）上进行，试验装置如图1所示。SHTB实验装置由旋转盘式加载系统、撞块、输入杆和输出杆组成。加载装置是一个直径为1.4米，转动线速度可以达到100m/s的飞轮。前置理想弹塑性金属短杆通过螺纹与撞块和输入杆连接，受拉伸试件用耐冲击高强度聚炳烯酸粘接剂与输入杆和输出杆的叉口相粘接。当飞轮边缘的线速度达到预先设定的数值时，安装在高速旋转盘上的双片锤头（1）瞬间被弹出并以该线速度打击撞块（2），这时同输入杆相连的理想弹塑性前置金属短杆（3）被拉断，从而在输入杆（4）中产生一近似拉应力方波脉冲。当入射应力脉冲沿输入杆向右传播到试件（5）后，一部分反射回输入杆（6）中，另一部分通过试件传入输出杆中，并在输入杆和输出杆中分别产生反射波和透射波。拉伸脉冲的幅度、宽度、和上升沿是由金属短杆的直径、长度和锤头的打击速度来决定的。贴在输入杆和输出杆上的三组半导体应变片（7）分别测得入射波 、反射波 和透射波 ，通过超动态应变仪（8）放大后被存
TCL双通道瞬态波形存储器（9）中。
根据一维应力波理论可得试件中的应力、应变和应变率分别为
（1）
国家自然科学基金(No.90305018)资助项目、北京林业大学优秀青年教师科技创新项目（YX2010-6）.
 （2）
  （3）
其中， 和 分别为试件的横截面面积和长度； ， 和 E 分别为输入/输出杆中弹性波的波速、杆的横截面面积以及弹性模量。
2.2 试验材料
试验所用的钛合金基体（T650）和TiC颗粒增强钛基复合材料（TP650）均由西北有色金属研究院自行研制并提供。TiC增强颗粒的平均粒度为5 ，体积百分比为3%；复合材料TP650采用PTMP（Pre-treatment melt process）法制备，颗粒在复合材料中呈弥散分布，界面反应层稳定。基体和复合材料试样均采用简单的退火，其热处理参数为：800℃/1小时＋空冷。
试件设计成扁平的哑铃状，厚度1.1mm，形状、尺寸和形位公差设计如图2所示。
TiC颗粒和钛合金基体的物理和力学性能如表1所示。
表1 TiC颗粒和钛合金基体的物理和力学性能
Table 1 The Mechanical properties of TiCPparticles and Titanium alloy matrix
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材料
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TiC颗粒
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基体T650
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密度 / g/cm3
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4.43
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4.51
|
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杨氏模量E/ GPa
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460
|
118
|
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剪切模量G/ GPa
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193
|
43
|
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泊松比 
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0.188
|
0.35
|
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热膨胀系数 / ×10-6/K
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7.4~8.8
|
8.6
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3. 试验结果及分析
3.1 试验结果
对钛合金基体和复合材料在常温下分别进行了200、500和1300s-1三种应变率下的动态拉伸试验，
每种应变率的试验均至少重复3次，选重复性较好的三次取均值，如图3和图4分别为复合材料TP650和基体T650在三种应变率下的应力应变曲线。
同时为了比较，在MTS810上作了基体和复合材料在准静态下的拉伸试验，如图5、图6所示。
由图可以明显看出复合材料TP650及钛合金基体材料达到屈服后，至材料的迅速失效，几乎没有应变硬化效应，且基体和复合材料均具有明显的应变率强化效应，在动态加载条件下，两种材料都出现明显的软化现象。
3.2 复合材料TP650的动态本构关系
取复合材料TP650在应变率为10-4s-1为参考应变率 ，其对应的强度极限为参考应力MPa，分别以 和 为纵坐标，其应变率强化效应如图7所示。
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