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摘 要

工业纯钛由于其重量较轻、强度很高、无磁性、不易腐蚀等特点，在经济、社会领域取得了显著成绩，钛金属逐渐成为了海洋、石油、航天等领域中不可缺少的工程材料。目前国内外对钛材性能的研究主要集中于运用到航天工业的钛合金上，对工业纯钛的研究较少。在化工行业中，由于工业纯钛的耐蚀性能和加工变形能力好，应用最为广泛，随着设计参数的不断提高，对钛制设备要求也不断提高。因此，有必要全面充分了解工业纯钛的各项力学性能。本论文旨在通过常温下工业纯钛TA2压缩试验，得到不同应变率下工业纯钛的应力应变数据，讨论应变率对工业纯钛的室温压缩力学性能的影响并最终得到不同应变率下工业纯钛室温压缩力学性能的表征方法。现将本文的主要工作介绍如下：

1. 综述了工业纯钛研究现状，简要介绍了包括Arrhenius模型、Jason-Cook模型以及MAZ模型在内的三种典型金属本构模型，并讨论了模型对工业纯钛室温压缩行为的适用性。
2. 试验研究了不同应变率下的工业纯钛的压缩力学行为。本文分别进行了应变速率为10^-4、10^-3以及10^-2s^-1的工业纯钛压缩实验，得到了应变率相关应力应变曲线。结果发现，工业纯钛常温压缩力学性能具有明显的应变速率相关性。通过分析不同应变率下的应力应变曲线，探讨了应变速率对工业纯钛屈服极限以及压缩力学性能的影响。
3. 为了更准确地描述工业纯钛室温压缩力学性能的应变速率敏感性，本文采用Arrhenius模型对其本构关系进行表征。模型材料常数采用应变的四次多项式进行确定，最终得到了包含应力、应变与应变速率的工业纯钛Arrhenius本构模型。

关键词：工业纯钛 应变率 本构方程 压缩性能

ABSTRACT

Because of the excellent characteristics, such as the light weight, high strength, non-magnetic and resistance to corrosion, commercial pure titanium (CP Ti) has made remarkable achievements in the economic and social fields and titanium is becoming an indispensable engineering material in marine, petroleum, aerospace and other industries.

At present, the domestic and international research on the properties of titanium material is focused on titanium alloys used in aerospace industry while few studies were conducted on commercial pure titanium. In the chemical industries, CP Ti has been used widely because of its corrosion resistance, good machinability and deformation performance. With the improvement of design parameters, the titanium equipment requirements is also rising. Therefore, it is necessary to fully understand the mechanical properties of CP Ti. Based on compression tests on CP Ti, the curves of strain-stress under different strain rates were obtained, the influence of strain rates on mechanical properties of CP Ti was discussed and finally the compressive constitution with strain rates was established. The main work for this paper is as follow:

(1) The latest development and research of CP Ti have been summarized. The constitutive models including Arrhenius model, Jason-Cook model and MZA model are introduced briefly and the applicability to description of compressive properties of CP Ti at room temperature is discussed.

(2) The compressive behavior of CP Ti at different strain rates was investigated experimentally. The compression tests at the strain rates of 10^-4, 10^-3 and 10^-2 were conducted respectively and the strain-stress curves corresponding to specific strain rate were drawn. The results showed that the mechanical property of CP Ti under compression is strain rate dependent. Based on the analysis of experiment dates, the influence of strain rate on yield limit and compression property of CP Ti was investigated.

(3) To describe the strain rate sensitivity more accurately, the Arrhenius model was adapted. The material constants were determined using a quartic polynomial of strain and it turned out that the Arrhenius model of CP Ti with stress, strain and strain rate were determined finally.

KEYWORDS: Commercial Pure Titanium；Strain Rate；Constitutive Equation；Compression Property

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 选题依据和课题背景 1

1.2 研究器材及研究模型 2

1.3 工业纯钛的研究现状 3

1.3.1 工业纯钛热压缩变形行为研究 3

1.3.2 工业纯钛变形强化的研究 3

1.4 纯钛压缩力学性能研究现状 4

1.5 不同应变率对材料压缩力学性能影响 6

1.6 金属材料本构模型的研究现状 7

1.7 目前研究工作存在的不足 9

1.8 本文的研究意义 9

1.9 本文的研究内容和方法 9

第二章 考虑温度与应变速率的工业纯钛的压缩本构方程 10

2.1 Arrhenius模型的描述 10

2.2 Jason-Cook模型的描述 11

2.3 Fields-backofen模型的描述 12

第三章 工业纯钛的压缩力学性能的试验研究 13

3.1 试验装置 13

3.2 试样和实验条件 13

3.3 实验方案 14

3.4 实验结果 15

第四章 对含有应变率工业纯钛的本构模型讨论 19

4.1 材料参数的确定 19

4.2 应变率对微观结构的影响 20

4.3 应变硬化率对曲线的影响 20

4.4 工业纯钛在常温下的本构方程确定 22

第五章 结论与展望 25

5.1 结论 25

5.2 展望 25

参考文献 26

致 谢 28

第一章 绪论

1.1 选题依据和课题背景

钛是一种过渡金属，呈现银白色，其特征主要有以下几点：重量较轻、强度很高、无磁性、不易腐蚀。其在地球上的所有元素中含量相对丰富，排名第十位。与金属钢铁相比，钛的屈服强度很高，而且当与钢铁体积相同时，其质量只有钢铁的一半。对于比模量，钛和铝以及钢比较相近，但是钛金属的强度远远高于其他金属。在火箭和导弹领域中，我们常用钛代替铝和钢。钛不会被海水腐蚀而且耐高压，因此可以用来制造钛潜艇。在20世纪中期，美国首次将钛应用到工业当中，到21世纪初钛的应用得到飞速发展并且广泛应用于多个领域，在经济、社会领域取得了显著成绩，钛金属逐渐成为了海洋、石油、航天等领域中不可缺少的工程材料^[1]。工业纯钛是指钛的含量高于98%，可以含有少量的非金属元素，也可以包含少量金属元素比如铁。在纯钛里面杂质含量的高低决定了材料的强度。在室温下，其组织形式是α相，也含有有少量的β相，β至α相的转变温度在890～920℃。工业纯钛易于熔焊和钎焊，有优良的冲压工艺性能和塑性，而且强度和硬度很高，另外，纯钛的强度比钛合金高出许多，在抗氧化性方面比奥氏体不锈钢更好。工业纯钛还具有良好的抗腐蚀性能，所以经常用这种材料制造低温工作下的一些零件，也经常使用于化学与石油产业中。在化工行业中，钛材运用到了换热、化纤、尿素等设备。在化工石化行业中，由于它耐蚀性和可加工性，应用也非常普遍^[2-6]。

工业纯钛纯度约为99.5%，而高纯钛为99.9%。尽管钛具有很高的比强度，但是由于受其高价格的影响，钛主要适用于某些特殊应用领域。这种高价格主要是由于钛与氧具有很高的反应性。海绵钛是通过融化的四氯化钛并在惰性气氛或真空中生产。高能量以及高价格的四氯化钛是造成钛高价格的主要原因。钛的物理性质由纯度决定，机械性质不全由纯度决定，也取决于热处理温度和压力加工情况等。高纯钛具有良好的耐大气腐蚀性能，在大气中长期使用不会变色。高纯钛也有应有在特殊合金和功能材料领域，例如，钛镍形状记忆合金和钛铝金属间化合物需要在纯度在5N及99.999%以上的钛合金的基础上制备。在海洋的净化、污水处理、医药等各个方面，高纯钛可用于水净化装置的滤芯。

1.2 研究器材及研究模型

利用万能材料试验机对纯钛试件进行准静态和动态单轴压缩实验，获得纯钛的应力-应变相应曲线，研究应变率对其压缩力学性能的影响，探讨建立纯钛常温下基于应变能函数理论含有应变率参数的压缩本构模型。

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