引言

鈦鋼復合板作為一種耐腐蝕，可焊性、導熱性及成形性良好的金屬材料，被廣泛應用在水下、石化、能源等領域。

鈦金屬因其良好的耐腐蝕性被用于化學容器、熱交換容器等，但成本較高，尤其作為結構部件時，這個問題更為突出。鋼材有較高的強度和韌性，將金屬鈦和鋼壓制成鈦鋼復合材料，不僅降低了成本，還利用了鈦的耐腐蝕性和鋼的高強度，更重要的是鈦鋼復合材料在后期的熱處理、切割、卷筒等生產中不會產生分裂或分層。

鈦鋼復合板是通過熱軋、爆炸等復合工藝[1]將鈦合金和低碳鋼壓合在一起得到的新型復合鋼板[2]。1954年，日本通過爆炸復合法，憑借炸藥的爆發力，將鈦和鋼兩種金屬結合在一起，形成鈦鋼復合板。用鈦鋼復合板制備的設備，利用鈦合金的耐腐蝕性與容器內的溶液接觸，低碳鋼則作為容器的外壁，這樣既具備耐腐蝕性能，又保證了強度和剛度[3]。然而，由于鈦和鋼材在結合時，會出現結合率不夠好而造成鈦層和鋼層表面局部有裂紋、氣孔夾渣、未焊透等問題，因此，研究鈦鋼復合板基層和復層共同作用機理十分重要。

目前，國內外對鈦鋼復合板的基本力學性能已有研究。

其中，段文森等[4]研究了通過爆炸復合工藝制造的鈦鋼復合板的剪切疲勞行為、斷裂韌性和斷裂機理。楊揚分析了鈦鋼復合結構界面結構，建立了模型，進行了力學研究[5]。Qiu Zheng等[6-7]對純鈦薄板考慮溫度效應和應變速率的單調力學試驗進行了研究。

本文對TA2+Q235b鈦鋼復合板進行拉伸剪切試驗，在拉伸荷載下，通過分析彈性模量、抗拉強度、屈服強度、伸長率，并將試驗結果與有限元模擬對比，研究鈦鋼復合板的力學性能。試驗中，低碳鋼在屈服前，加載速率先快后慢。

1、試驗材料

拉伸試件從本材上取樣，尺寸參考GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》[8]確定，見圖1。試件長度300mm。共設計三個相同的復合比，編號分別為TB-1、TB-2、TB-3。鋼材基層厚度10mm，鈦層厚度2mm。試件尺寸設計見圖2。切割成型后的試件見圖3。

由圖4板件橫斷面材料組織圖，可以明顯看出鈦層和低碳鋼層的分布情況。

2、試驗與結果分析

2.1 試驗方案

TA2+Q235b爆炸型鈦鋼復合板，覆板采用工業用純鈦TA2，厚度為2mm，基層采用235鋼，厚度為11mm。表1是TA2和Q235的力學性能指標。

根據GB/T 228.1-2010[8]，線切割TA2+Q235b復合板拉伸試樣。拉伸試驗在微機伺服液壓萬能實驗機進行，單點法測疲勞在MTS810型疲勞試驗機進行，依次選出五個應力，0.5rm, 0.45rm, 0.4rm, 0.35rm, 0.3rm，試驗中逐級降低應力級別，正玄波頻率30Hz，應力比為-1，加載次數2×105次。鈦鋼復合板界面微觀組織采用蔡司Axiovert200MAT金相顯微鏡分析觀察。

2.2 試驗過程

加載初期，隨著荷載增大，試件被輕微拉長，橫截面出現縮小跡象。隨著荷載進一步增大，試件變形量增大。加載到最大值時，試件出現頸縮現象，最終斷裂。試驗過程中，試件從開始加載到破壞，伴隨有兩次響聲，第一次是鈦-鋼界面分離，第二次是試件斷裂。可見，鈦鋼復合板材的基層和復層在拉伸過程中能協同工作。試件各實測數據見表2。

值得注意的是，所有試件的斷口形狀接近[6]，且伴隨著拉伸，有彎曲變形，這是由于板件的殘余應力釋放所致。同時，對TA2+Q235b鋼材進行微觀分析可知，層兩側微觀相貌相近，表明兩種金屬材料在結合度方面有較好的連接性。

2.3 應力-應變曲線

通過三組試件的拉伸試驗測得應力應變曲線。試驗中可以看出，低碳鋼有明顯的屈服應變，而鈦鋼則呈現出非線性的無屈服應變的應力應變狀態。因此，采用名義屈服值作為其屈服強度。應力應變曲線見圖5。

從圖5看出，當應變在8%以下時，曲線的斜率趨于平緩，屈服變形表現明顯。同時，隨著鋼材應變負荷比的提高，變形能力逐漸下降，這是由于在拉伸中鈦比例減少所致。

通過測量，發現試件長度變大，首先是中部變長，然后逐級向兩端擴散，基層和復層的應變相同，表明二者發生協同變形。由測量結果還可以看出，試件的變形中部變形最大，切橫截面處變形均勻，同樣表明基層和復層的協同變形。

由圖6可以看出，材料拉伸斷裂時沿著位錯滑移面運動，析出物晶體出現不連續錯位塞機。試驗中出現應力集中現象，這是由于在微弱部位出現孔洞，且隨著切應力的增大，孔洞聚集，最后出現頸縮現象，繼而斷裂。通過基材和復材的微觀拉伸圖可以看出，斷口有明顯的韌性特征，表面有一定數量大小不等的橢圓或圓形小窩，大小分布不均，這證明材料在斷裂前發生了較明顯的塑性變形。

3、有限元模擬

利用ABAQUS軟件，采用三維8點減縮積分實體單元建立三維有限元模型，采用鈦鋼雙金屬材料試件，忽略幾何缺陷和殘余應力[9]。網格尺寸為1mm，標距在截面的兩端，基層和復層泊松比分別為0.3和0.36。

采用TA2+Q235b的本構模型，對鈦鋼復合板的應力應變曲線進行有限元分析，見圖7。可以看出，有限元模擬結果與試驗結果吻合度良好。試驗包括彈性階段、屈服階段、強化階段和破壞階段，當達到抗拉強度極限后，試件出現明顯頸縮現象。

4、鈦鋼復合板疲勞性能分析

通過鈦鋼復合板材料疲勞強度測試，可以發現復合板的疲勞強度介于基層和鈦板之間，見圖8，這是由于鈦鋼復合板結合面組織不均勻，以及成分差異和應力差異。由于基層和面層組織成分不同，以及鈦層在塑性變形中產生孿晶組織，因而在高疲勞應變作用下更容易產生裂紋，造成金屬的疲勞損傷，降低其疲勞強度。

5、結論

本文通過對TA2+Q235b鈦鋼復合板的拉伸試驗，研究其力學性質，并將試驗結果與有限元數據模型對比，結果顯示，TA2+Q235b鈦鋼復合板材各參數隨負荷比增大，彈性模量隨之降低。因此，各參數與復合比有關。隨著強度和伸長率的增加，抗拉強度增大，塑性減小。

參考文獻

[1]閆力. 鈦鋼復合板的特點及應用領域[J]. 中國鈦業,2011(3):12-14.

[2]BAN H Y, SHI Y J, TAO X Y. Use of clad steelin engineering structures[C]//Proceedings of the fifteenthEast Asia-Pacific conference on structural engineering &construction, Xi’an, 2017:1167-1173.

[3]孟憲斌,易彩虹,吳小玲,等. 鈦及鈦合金復合材料發展及工業應用[J]. 中國化工裝備,2013,15(6):3-7.

[4]段文森,魯漢民,劉建新. 金屬爆炸復合界面的疲勞裂紋擴展特性及斷裂機制的研究[J]. 稀有金屬材料與工程,1989,3(8):6-10.

[5]楊揚. 鈦/鋼爆炸復合界面的微觀組織結構和力學行為[J]. 材料導報,1994,8(5):26.

[6]QIU Z, SHIMIZU T, MING Y. Grain size effect onmechanical behavior of thin pure titanium foils at elevatedtemperatures[J]. International journal of mechanical sciences,2017,133.

[7]QIU Z, et al. Tensile properties and constitutivemodel of ultrathin pure titanium foils at elevated temperaturesin microforming assisted by resistance heating method[J].Materials & design, 2014,63(Nov. ):389-397.

[8]GB/T 228. 1-2010,金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法[S].

[9]LIU X, BAI R, et al. Material properties and stressstrain curves for titanium-clad bimetallic steels[J]. Journal of

constructional steel research, 2019,162:105756.

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