TC4钛合金力学性能测试及动态材料模型研究

摘要

TC4(Ti6A14V)钛合金在现代航空发动机中广泛用于制造风扇/压气机叶片及机匣等关键部件。在飞行过程中，叶片受到外物的冲击容易造成灾难性的后果，所以为了保证飞行安全，开展叶片抗外物损伤(FOD)能力研究是非常重要的，而分析外物冲击过程的关键在于获得正确的材料本构模型及失效模型。因此，为了获得TC4材料的本构模型和失效模型，并对模型准确性进行验证，本文主要研究工作包括：
　　 (1)通过试验得到TC4钛合金材料在较大应变率(10-4s-1～5000s-1)和温度(室温～400℃)范围内的应力-应变关系，以及失效应变随应力状态的变化情况。实验结果表明：TC4钛合金具有明显的应变率强化效应和温度软化效应；失效应变随温度和应力三轴度增加而增加，随应变率增大而减小。
　　 (2)在力学性能实验结果的基础上，使用Levenberg-Marquarat(L-M)算法程序分别拟合随动塑性、Johnson-Cook(J-C)和修正Zerilli-Armstrong(Z-A)本构模型中的参量；而J-C失效模型参量通过分步拟合法得到。三种本构模型应力-应变曲线拟合结果与实验结果能较好的吻合。鉴于材料失效应变并非恒定值，因此，最大等效失效塑性应变准则难以合理描述材料失效行为。
　　 (3)开展Taylor撞击试验，并使用有限元分析软件ANSYS/lS-DYNA对实验过程进行数值模拟，模拟时分别采用上述模型参量描述材料的变形行为。实验与拟合结果比较表明：三种本构模型均能很好描述弹性体的高速变形能力；但J-C失效模型未能反映弹体此时的剪切失效特征。
　　 本文得到的TC4本构模型和失效模型将为航空发动机叶片FOD数值模拟提供数据支持。