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网络首发时间: 2019-11-28 10:19

基于DIC方法R60702/TA2爆炸焊接复合板力学性能研究

李志李庆生李诗韵

南京工业大学机械与动力工程学院

摘要：

锆-钛爆炸焊接复合板的应用用越来越广泛，力学性能是关注的重点。爆炸焊接过程对复合板力学性能的影响至关重要。对锆-钛爆炸焊接复合板进行分层拉伸试验，结合扫描电子显微镜（SEM）对拉伸试验后断口形貌进行观察，研究了爆炸焊接后锆-钛复合板沿着厚度方向拉伸力学性能的变化；通过引伸计法和数字图像相关（DIC）方法得到拉伸试验的应变；使用数字图像相关方法对弯曲试验全场应变进行测量，并与有限元模拟得到的弯曲应变场进行比较。结果表明：锆-钛结合界面层抗拉强度最大，断后延伸率最小；随着与结合界面距离的增加，钛侧的抗拉强度逐渐减小，断后延伸率缓慢增加；数字图像相关方法和引伸计法得到的弹性模量相对误差为1. 06%；不同分层之间的断口形貌存在差异，离结合界面越远，材料的塑韧性越好；数字图像相关方法和有限元方法得到的弯曲应变场吻合较好，相对误差不超过5%。

关键词：

锆-钛复合板;数字图像相关方法;拉伸试验;弯曲试验;有限元模拟;

中图分类号： TG456.6

作者简介：李志（1995-），男，江苏连云港人，硕士研究生，研究方向：锆-钛复合板、结构强度，E-mail:18860957606@163.com；;*李庆生，副教授，电话：025-58139953,E-mail:lqsh@njtech.edu.cn;

收稿日期：2019-08-20

基金：江苏省六大人才高峰项目(2014-ZBZZ-013)资助;

Mechanical Properties Investigations of Explosively Welded R60702/TA2 Composite Plate Using Digital Image Correlation

Li Zhi Li Qingsheng Li Shiyun

School of Machemical and Power Engineering,Nanjing Tech University

Abstract：

Explosively welded Zr-Ti composite plate is used more and more widely and mechanical property is the focus of attention.The effect of explosive welding process on the mechanical properties of clad plate is important and has not been reported. The layering tensile test was carried out and the tensile fracture morphology was observed utilizing scanning electron microscope(SEM)to investigate the mechanical properties along the thickness direction of explosively welded Zr-Ti composite plate. The strain of tensile test was obtained from extensometer and digital image correlation(DIC)method. The strain field of bending test measured by DIC method was compared with the simulation results of finite element method. The results demonstrated that the layer with bonding interface had the largest tensile strength and the smallest elongation. With the increase of the distance from the bonding interface,the tensile strength of the titanium side decreased gradually while the elongation increases slowly. The relative error of elastic modulus obtained from DIC and extensometer was 1.06%. The fracture morphology of different layers was various. The farther away from the bonding interface,the better the plasticity of material. The strain fields obtained by DIC method and finite element method were in good agreement,and the relative error was less than 5%.

Keyword：

Zr-Ti composite plate; digital image correlation; tensile test; bending test; finite element simulation;

Received： 2019-08-20

钛具有优异的耐腐蚀性，在酸性、碱性、中性盐水溶液和氧化性介质中具有很好的化学稳定性，在许多领域是理想的工艺材料 ^[1,2] 。锆是一种难熔活性金属，质轻耐蚀，机械性能好 ^[3] 。爆炸焊接技术能够将不同的金属材料牢固地焊接在一起，通过爆炸焊接方法制备锆-钛复合板，常用于压力容器等防腐蚀设备的制造，能大大提高设备的寿命和可靠性 ^[4,5,6,7,8] 。文献 [ 9] 表明平行爆炸焊和双垂直爆炸焊两种方法下厚度相同的钛-钢复合板力学性能存在差异，双垂直爆炸焊接板的拉伸剪切强度较低，显微硬度较高，在三点弯曲试验中，两种焊接板的试样既没有分离也没有开裂。双垂直爆炸焊接板的界面呈直线状，平行爆炸焊接板的界面呈微波状，二者相较，微波状界面增大了基层和复层金属之间的接触面积，从而提高了基层和复层金属间的结合强度。文献 [ 10, 11, 12, 13] 研究了钛-钢复合界面的微观结构，结合界面是复合板的重要部分，由于爆炸焊接的作用，界面对复合板整体力学性能有着很大影响，从而在厚度方向形成了一定的力学性能差异，这对复合板厚度的选择和实际应用具有重要意义且未见报道，本文对此加以探究。

数字图像相关（digital image correlation,DIC）方法是由Peters,Ranson和Yamaguchi提出的一种光测力学变形测量方法 ^{[14,15,16,17]} 。它通过图像匹配的方式来分析物体表面变形前后的散斑图，跟踪散斑图上几何点的运动获得位移场，在此基础上计算得到应变场，在位移、应变等参数的测量方面，该方法具有明显的测量优势 ^[18,19] 。

本文对R60702/TA2爆炸焊接复合板进行分层拉伸试验，使用扫描电镜对拉伸断口进行观察，分析复合板沿着厚度方向拉伸力学性能的变化。通过数字图像相关方法对爆炸结合界面层进行了拉伸和弯曲试验，结果与引伸计法和有限元法进行对比。

1实验

1.1材料

试验选用工业纯锆R60702作为复板材料、工业纯钛TA2作为基板材料爆炸焊接制备的锆-钛复合板作为实验对象。R60702/TA2复合板厚15 mm，其中R60702板厚3 mm,TA2板厚12 mm,R60702和TA2的化学成分见表1和2。爆炸焊接前，基板和复板表面经过抛光并清理干净，采用平行放置的方式安装并在复板表面铺设炸药，如图1所示，具体爆炸焊接参数如表3所示。

1.2拉伸试验

为了研究爆炸焊接后锆-钛复合板沿着厚度方向拉伸力学性能的变化，进行分层拉伸试验，使用线切割方法沿着厚度方向将复合板切成5层，每层厚度为2 mm，其中第一层为纯锆层，第二层包含锆-钛结合界面，其余三层为纯钛层，拉伸试样尺寸如图2所示。在拉伸试件表面制备散斑时，为了提高测量精确度，先将拉伸试件表面进行打磨，并用无水乙醇擦拭干净，然后在试样表面喷上一层厚度均匀的白漆，待白漆晾干后再用黑色喷漆在其表面制作出无规则任意黑色斑点。试验在MTS809材料试验机上进行，同时使用MATCHID测量系统对拉伸试验中锆-钛爆炸焊接复合板的全场变形进行测量。将试样安装在夹头上，并在拉伸试样表面安装一个标距为25 mm的引伸计，测量范围±50%。MTS809材料试验机的采样频率为20 Hz，试验加载方式为位移控制，加载速率为1 mm·min^-1，整个拉伸试验过程可以认为是准静态拉伸。试验前，做好测量断后延伸率的标记。使用扫描电镜（SEM）观察拉伸断口形貌，分析其断裂机制。

表1 R60702的化学成分下载原图

Table 1 Chemical composition of R60702(%,mass frac-tion)

表2 TA2的化学成分下载原图

Table 2 Chemical composition of TA2(%,mass fraction)

表3 爆炸焊接参数下载原图

Table 3 Parameters of explosive welding

图1 平行安装法爆炸焊接示意图

Fig.1 Parallel layer arrangement of explosive welding process

图2 拉伸试样尺寸

Fig.2 Dimensions of tensile test sample(mm)

1.3弯曲试验

通过DIC法对锆-钛爆炸焊接复合板在弯曲过程中的全场变形进行测量，并与有限元分析软件ABAQUS所模拟的弯曲应变场进行比较。弯曲试样尺寸为200 mm×20 mm×15 mm（锆层厚度为3 mm，钛层厚度为12 mm），散斑制备方法同拉伸试验，弯曲试验加载速率为1 mm·min^-1。为了方便MAT-CHID测量系统对整个弯曲过程进行拍摄，设计了弯曲试验用的支座和压头，两个支座间距98 mm，支座直径为40 mm，弯曲压头直径60 mm，如图3所示，使用焦距为75 mm的镜头进行拍摄。相机采集图片频率为1帧·s^-1。

2结果与讨论

2.1拉伸试验

图4给出了分层拉伸试验得到的应力-应变曲线，表4给出了试验结果，可以看出第二层的抗拉强度要远大于第一层，略大于第三层、第四层和第五层，断后延伸率却比其余几层要小很多，原因是在爆炸复合中，结合界面附近发生了严重的塑性变形，离界面越远，塑性变形也越来越小。文献 [ 20] 指出，在锆-钛结合界面处，剧烈的塑性变形导致高密度位错的产生，界面附近发生了明显的加工硬化现象，还有部分爆炸焊接产生的残余应力，导致了第二层的抗拉强度要高于第一层，而延伸率却下降。第三层、第四层和第五层均为纯钛层，抗拉强度逐渐减少，延伸率逐渐增加。这是由于离界面越远，加工硬化效应越小，材料的塑韧性逐渐提高。总体来说，随着与结合界面距离的增加，钛侧的抗拉强度逐渐减小，断后延伸率缓慢增加。

图3 弯曲支座和压头

Fig.3 Support and indenter for bending test

图4 分层拉伸试验应力-应变曲线

Fig.4 Layering tensile stress-strain curve

表4 拉伸试验结果下载原图

Table 4 Results of tensile test

图5给出了DIC法得到的第二层（爆炸结合界面层）应变云图，记录了加载从10 kN到试样断裂过程中应变分布，当试样处于弹性阶段时，沿拉伸方向各点的变形程度是均匀的，随后加载达到最大值28 kN后进入塑性变形阶段并开始颈缩，试样的横向尺寸缩小，应变分布与弹性阶段不同，在中间的局部区域，应变很大，而两侧区域的应变相对较小，上下两端的应变场接近对称分布，当应力达到最大点后，拉伸试样发生局部变形，此时试样的局部区域出现了明显的缩颈现象，由于发生缩颈区域的截面积迅速减小，造成该区域的应变很大，直至达到断裂，沿加载方向应变达到最大值0.6552。

图5 第二层拉伸试验应变分布

Fig.5 Strain photograph and distribution of strain using DIC

由于锆-钛复合板的性能不是完全均匀的，应选取选取引伸计之间矩形区域内的平均应变值作为该时刻的拉伸应变值 ^[21] ，做出应力-应变曲线，如图6所示。表5给出了拉伸实验中引伸计法和DIC法得到的弹性模量。

由表5可以得到采用引伸计测得的弹性模量平均值为93598 MPa，采用DIC得到的锆-钛爆炸焊接复合板的弹性模量的平均值为92606 MPa。以引伸计的测量值作为参考，两者相对误差为1.06%。从表中可以发现，引伸计测量的数值分散性较小，而采用数字图像相关方法测量得到的数值分散性较大，这是由于每次试验的散斑不可能完全相同，数据有一定的分散性但误差很小，为了提高散斑质量，先用砂纸将试件表面打磨至光滑平整，再用同一罐白漆去喷涂底色来减小色差并保证白漆厚度均匀，然后用同一罐黑色喷漆制作无规则任意黑色斑点，这样可以保证散斑的识别度，缩小散斑质量对试验结果的影响。同时试验过程中保持MATCHID系统的相机镜头垂直拍摄试样且位置保持不动以提高精确度。

图6 DIC法与引伸计法应力-应变曲线

Fig.6 Stress-strain curves using DIC and extensometer

表5 两种测量方法得到的弹性模量下载原图

Table 5 Elastic modulus obtained from two methods

使用扫描电子显微镜（SEM）对第一层、第二层、第三层、第四层共4层拉伸试样的断口进行分析。图7给出了第一层（纯锆层）拉伸试样的断口形貌。由拉伸试样的宏观断裂形貌可以看出第一层拉伸试样发生了明显的颈缩。由断口形貌可以看出在断口表面存在着大量的等轴型韧窝，说明试样在断裂前经过了充分的塑性变形，呈现明显的韧性断裂特征。但是不同区域的韧窝大小有所变化，区域B的韧窝直径较大，深度较深，且韧窝的尺寸相差不大。区域A和区域C的韧窝尺寸大小不一，且局部区域存在着小而浅的剪切韧窝和准解理特征，因此区域B的塑性比两边要好。第一层（纯锆层）在爆炸焊接后仍然呈现出良好的塑韧性。

图7 第一层拉伸试样的断口形貌

Fig.7 Fracture morphology of first layer

(a)Low-power fracture morphology;(b)Enlarged figure of Ar-ea A;(c)Enlarged figure of Area B;(d)Enlarged figure ofArea C;(e)Energy spectrum curve

图8给出了第二层拉伸试样（包含锆-钛结合界面）的断口形貌。从图8(a）可以看出，结合界面的部分区域出现了分层现象，但是总体来说锆板和钛板的界面处结合情况良好。将断口分为四个部分分别进行观察，可以发现断口表面存在着大量的韧窝，呈明显的韧性断裂特征，其中区域B较区域A韧窝的尺寸和深度小，区域C较区域D韧窝的尺寸和深度也较小，材料的塑性下降。这是由于在结合界面及附近，锆侧和钛侧的晶粒组织发生了严重的塑性变形，靠近结合界面处发生了明显的加工硬化，使得界面附近的塑韧性降低。通过图8(f）和8(g）可知结合界面上侧为锆，下侧为钛，与第一层（纯锆层）相比，第二层中锆侧区域中的韧窝数目和尺寸比第一层的要小，塑性下降，原因是界面附近的加工硬化效应造成了塑性降低。

图8 第二层拉伸试样的断口形貌

Fig.8 Fracture morphology of the second layer

()-;()ea A;(c)Enlarged figure of Area B;(d)Enlarged figure ofArea C;(e)Enlarged figure of Area D;(f)Energy spectrumcurve of upper side;(g)Energy spectrum curve of lower side

由于第四层和第五层的拉伸性能较为接近，因此取第三层和第四层的拉伸断口进行分析，断口形貌如图9所示。第三层和第四层均为纯钛层，从断口可以发现，这两层的断口表面均分布着大量的韧窝，拉伸过程中发生了塑性变形。随着与结合界面距离的增加，加工硬化效应逐渐减弱，塑韧性得到提高，因此与第三层相比，第四层断口的韧窝直径和深度都要大于第三层，且与第二层中钛侧断口相比，材料塑韧性得到明显的改善。

2.2弯曲试验

采用ABAQUS/Explicit有限元平台模拟锆-钛爆炸焊接复合板的内弯曲和外弯曲过程，使用拉伸实验得到的锆-钛复合板弹性段和塑性段的参数来定义材料属性，使用的单元类型为8节点实体单元C3D8R，有限元模型共有节点数7056个，单元数为6000个，有限元模型如图10所示。由于弯曲压头和支座的刚度远远大于锆-钛复合板，在弯曲试验过程中变形很小，因此在模拟过程中，弯曲压头和支辊选用刚体模型。由于弯曲试验过程中，弯曲压头以恒定的速率下移，因此在分析中弯曲压头需要约束除下压方向的其余的自由度，约束支座的所有自由度。

图11给出弯曲试验后的试样，复合板表面没有出现裂纹，结合界面处无明显开裂和分层，说明复合板具有良好的弯曲性能。图12给出了内弯曲和外弯曲的载荷位移曲线，可以看出在22～28 kN时，弯曲进入线性阶段，选取弯曲压头下压量为10,20,30 mm时，分别采用DIC和有限元模拟得到锆-钛爆炸焊接复合板的等效应变场。图13中给出了内弯曲试验过程中不同下压量时两种方法得到的应变场，图14中给出了外弯曲试验不同下压量时两种方法得到的应变场。

图9 第三层和第四层拉伸断口形貌

Fig.9 Fracture morphology of the third and fourth layer

(a)Third layer;(b)Fourth layer

图1 0 弯曲试验有限元模型

Fig.10 Finite element model

图1 1 弯曲后试样

Fig.11 Specimens after bending test

图1 2 弯曲试验载荷-位移图

Fig.12 Force-displacement curves of internal and external bending

由图13和14可以看出，DIC得到的应变场分布与有限元模拟结果一致，尤其是弯曲过程中的应变极值区域。对两种方法在相同下压量时的弯曲应变极值进行比较，如表6所示。可以发现，以有限元模拟值为参考，在相同下压量时，两种方法所得到的弯曲应变极大值相差较小，相对误差不超过5%，数据吻合良好。

3结论

1.锆-钛爆炸焊接复合板分层拉伸试验表明，爆炸焊接后的锆-钛复合板沿厚度方向的拉伸性能发生明显变化。界面附近的塑性变形导致了加工硬化效应，降低了材料的塑韧性，且随着与结合界面距离的增加，材料的塑韧性逐渐提高。第二层的抗拉强度值最大，达到571.79 MPa，断后延伸率最低，离结合界面越远，钛侧的抗拉强度逐渐减小，断后延伸率逐渐趋于稳定。

图1 3 DIC和有限元法得到的内弯曲试验应变场

Fig.13 Strain field of internal bending test at different dis-placement by two methods

(a)Simulation at 10 mm;(b)Strain photograph at 10 mm us-ing DIC;(c)Simulation at 20 mm;(d)Strain photograph at20 mm using DIC;(e)Simulation at 30 mm;(f)Strain photo-graph at 30 mm using DIC

图1 4 DIC和有限元法得到的外弯曲应变场

Fig.14 Strain field of external bending test at different dis-placement by two methods

(a)Simulation at 10 mm;(b)Strain photograph at 10 mm us-ing DIC;(c)Simulation at 20 mm;(d)Strain photograph at20 mm using DIC;(e)Simulation at 30 mm;(f)Strain photo-graph at 30 mm using DIC

表6 两种方法得到的弯曲应变最大值下载原图

Table 6 Maximum bending strain of two methods