王 珂，吳 麗，李永正，卞程程，張曙光，李 偉

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.南京市海洋裝備及防務(wù)工程研究中心，江蘇 南京 210000；3.中涂化工（上海）有限公司，上海 201814)

0 引 言

從20 世紀50 年代開始，船舶與海洋制造領(lǐng)域開始使用鈦合金制造結(jié)構(gòu)部件及潛水器耐壓殼體[1]。大深度載人潛水器由于需要進行各種科學(xué)探索研究以及打撈救生等任務(wù)而必須頻繁上浮和下潛，故耐壓殼體在服役過程中會不斷地承受載荷增加-載荷減小的過程，因此疲勞破壞就成為潛水器耐壓殼服役期間主要的破壞形式[2–3]。鈦合金材料由于其在極端環(huán)境下仍具有較好的力學(xué)性能，且強度重量比高、抗腐蝕能力強，可研究應(yīng)用于耐壓殼體的制造。為了使?jié)撍飨聺撋疃韧黄茦O限，材料科學(xué)家研制出新型鈦合金，新型鈦合金材料疲勞性能的研究具有重要工程應(yīng)用和科學(xué)研究價值[4]。

因此，本文對新型鈦合金材料的室溫力學(xué)性能、斷裂韌性、不同載荷比以及不同溫度下的疲勞裂紋擴展行為進行試驗研究，并將新型鈦合金材料的試驗結(jié)果與3 種鈦合金材料的疲勞裂紋擴展速率進行對比分析，從而驗證該新型鈦合金材料的疲勞性能，為新型鈦合金材料的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗研究

根據(jù)GB/T228.1-2010 和GB/T07314-2005 對該材料的室溫力學(xué)性能開展試驗研究，室溫下力學(xué)性能如表1所示。根據(jù)GB/T 4161-2007 對斷裂韌性進行試驗，斷裂韌性CT 試樣尺寸如圖1 所示，得到室溫下新型鈦合金材料的平均斷裂韌性為

表1 新型鈦合金的力學(xué)性能表Tab.1 Mechanical properties of new titanium alloys

圖1 斷裂韌性CT 試樣尺寸圖Fig.1 Fracture toughness CT sample size chart

在試驗前對每個試樣進行預(yù)制疲勞裂紋，根據(jù)《GB/T6398 2000 金屬材料疲勞裂紋擴展速率試驗方法》上的要求預(yù)制裂紋。預(yù)制裂紋初始平均載荷Pm=4 kN，振幅Pa=16 kN，頻率2.5 Hz，預(yù)制紋目標長度為24.5 mm。試樣根據(jù)GB/T 4161-2007 進行加工制備，尺寸如圖2所示。采用增大應(yīng)力強度因子 K的試驗方法，試驗過程采用COD 規(guī)測定試樣裂紋的張開位移，通過柔度法計算裂紋長度。新型鈦合金室溫裂紋擴展速率試驗在Instron8802 型高低溫疲勞試驗機上進行，試驗選用3 種載荷比，即0.1，0.3 和0.5，在各種載荷比R 下，采用正弦波形式的載荷，載荷譜如圖3 所示。新型鈦合金低溫裂紋擴展速率試驗在環(huán)境箱內(nèi)進行試驗，選取載荷比為0.5，測試試樣4 個不同溫度，即20 ℃，?20 ℃，?40 ℃和?60 ℃。

圖2 試樣尺寸圖Fig.2 Sample size chart

圖3 加載示意圖Fig.3 Loading diagram

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 新型鈦合金室溫裂紋擴展速率試驗結(jié)果

為了研究新型鈦合金的疲勞性能，進行0.1，0.3和0.5[5]三種載荷比下疲勞裂紋擴展行為試驗，圖4 為0.1，0.3 和0.5 三個載荷比下裂紋長度a 循環(huán)次數(shù)N 變化曲線。由圖可知，3 個載荷比下裂紋的初始長度a0約為28 mm，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，裂紋長度增加，裂紋擴展速率逐漸增加，最終發(fā)生斷裂，斷裂時刻裂紋長度ac分別為41.9 mm，42 mm 和42.2 mm，斷裂時刻的循環(huán)次數(shù)Nf分別為6400，9800 和22500。由試驗可知，在相同最大載荷下，隨著載荷比的增加，新型鈦合金的壽命增加。

圖5 為3 個載荷比下新型鈦合金材料疲勞裂紋擴展速率曲線。由圖可知，應(yīng)力強度因子范圍 ?K對新型鈦合金的疲勞裂紋擴展速率 da/dN有較明顯的影響，隨著應(yīng)力強度因子范圍 ?K的增加，新型鈦合金的疲勞裂紋擴展速率明顯增加；當達到疲勞斷裂韌性時，即試件發(fā)生斷裂；隨著載荷比R 的增加，新型鈦合金的疲勞裂紋擴展速率增加，隨著?K增加3 個載荷比下疲勞裂紋擴展速率之間差異變大。由此可見，載荷比對新型鈦合金的疲勞裂紋擴展速率具有明顯影響，產(chǎn)生這個現(xiàn)象的原因是由于裂紋閉合效應(yīng)造成的，尤其是裂紋面塑性和裂紋表面粗超度引起的裂紋閉合，斷裂后裂紋面如圖6 所示。

圖4 不同載荷比下新型鈦合金疲勞裂紋擴展 a ?N曲線Fig.4 Fatigue crack growth curve of new titanium alloy under different load ratios

圖5 新型鈦合金不同R 值的疲勞裂紋擴展速率試驗結(jié)果曲線Fig.5 Fatigue crack growth rate test result curve of different R values of new titanium alloy

2.2 新型鈦合金低溫裂紋擴展速率試驗結(jié)果[6]

圖6 CT 試件斷口外貌圖Fig.6 CT specimen fracture appearance

新型鈦合金材料可能將被應(yīng)用在低溫工作環(huán)境，因此本文開展新型鈦合金低溫疲勞性能試驗，對比20 ℃，?20 ℃，?40 ℃和?60 ℃四種不同溫度下疲勞裂紋擴展行為，圖7 為4 個溫度下裂紋長度a 循環(huán)次數(shù)N 變化曲線。由圖可知，4 個溫度下新型鈦合金裂紋的初始長度約為24 mm。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，裂紋長度增加，裂紋擴展速率逐漸增加，最終鈦合金發(fā)生斷裂，斷裂時刻裂紋長度ac分別為37.5 mm，38.5 mm，37.6 mm和36 mm，斷裂時刻的循環(huán)次數(shù)Nf分別為48000，60000，68000 和87000。由試驗可知，低溫對新型鈦合金的裂紋擴展行為有明顯影響，隨著溫度的降低，壽命變大，在?60 ℃時壽命最大，這主要是由于隨著溫度的降低，該鈦合金材料疲勞裂紋擴展速率降低，尤其是在門檻值和低應(yīng)力強度因子范圍下。

圖7 鈦合金疲勞裂紋擴展a-N 曲線Fig.7 A-N curve of fatigue crack growth of titanium alloy

圖8 為4 種不同溫度下新型鈦合金材料疲勞裂紋擴展速率曲線。由圖可知，應(yīng)力強度因子范圍 ?K對新型鈦合金的疲勞裂紋擴展速率da/dN有較明顯的影響，在低應(yīng)力強度因子范圍下，即隨著溫度的降低，鈦合金疲勞裂紋擴展速率降低。根據(jù)圖中變化趨勢，可以預(yù)測隨著應(yīng)力強度因子范圍的降低，各溫度下疲勞裂紋擴展速率之間的差異增加，直到達到門檻值。當時，4 個溫度下的疲勞裂紋擴展速率幾乎重合，該處為裂紋擴展速率轉(zhuǎn)變點；當應(yīng)力強度因子范圍時，隨著溫度的降低，疲勞裂紋擴展速率明顯增加直到斷裂發(fā)生。由試驗可知，隨著溫度的降低，該鈦合金材料斷裂韌性明顯降低?？梢钥闯觯瑴囟葘ζ谛阅芫哂忻黠@影響，在不同溫度下應(yīng)用時，應(yīng)考慮低溫疲勞性能的影響。

圖8 不同溫度下鈦合金疲勞裂紋擴展速率曲線Fig.8 Fatigue crack growth rate curve of titanium alloy at different temperatures

2.3 對比不同鈦合金的裂紋擴展速率

為了驗證該新型鈦合金材料疲勞性能的優(yōu)劣性，開展4 種不同鈦合金材料的疲勞裂紋擴展行為對比研究和分析，4 種鈦合金材料分別為TA15，TC4-DT，TC11 和新型鈦合金。圖9 為TA15[7]，TC4-DT[8]，TC11[9]和新型鈦合金在R=0.1 時的 da/dN-? K曲線。由圖可知，隨著應(yīng)力強度因子 ?K范圍的增加，TA15 的疲勞裂紋擴展速率 da/dN始終高于其他3 種鈦合金，即說明TA15 具有較低的疲勞阻抗。在整個應(yīng)力強度因子范圍內(nèi)TC4-DT 的疲勞裂紋擴展速率高于新型鈦合金，TC11 的疲勞裂紋擴展速率 da/dN在應(yīng)力強度因子范圍時低于新型鈦合金，在應(yīng)力強度因子范圍時高于新型鈦合金。

圖9 R=0.1 時，不同材料的疲勞裂紋擴展速率試驗曲線Fig.9 Fatigue crack growth rate test curves for different materials at R = 0.1

當4 種材料的疲勞裂紋擴展速率試驗曲線過渡到失穩(wěn)快速擴展階段時，新型鈦合金的斷裂韌性較大，TA15斷裂韌性最小，TC4-DT 與TC11 的斷裂韌性值較接近。由此可見，在相同條件下新型鈦合金的抗疲勞性能較好。

3 結(jié) 語

本文開展了力學(xué)基礎(chǔ)性能試驗、新型鈦合金室溫裂紋擴展速率試驗以及新型鈦合金低溫裂紋擴展速率試驗，對比不同材料在相同載荷比下的疲勞裂紋擴展速率曲線，得到如下結(jié)論：

1）載荷比對疲勞裂紋擴展速率具有明顯影響。隨著載荷比R 的增加，新型鈦合金的疲勞裂紋擴展速率增加。隨著 ?K增加，3 個載荷比下疲勞裂紋擴展速率之間差異變大。產(chǎn)生這個現(xiàn)象的原因是由于裂紋閉合效應(yīng)造成的，尤其是裂紋面塑性和裂紋表面粗糙度引起的裂紋閉合。

2）低溫對裂紋擴展行為有明顯影響。隨著溫度的降低，壽命變大，在?60 ℃時壽命最大，這主要是由于隨著溫度的降低，該鈦合金材料疲勞裂紋擴展速率降低，尤其是在門檻值和低應(yīng)力強度因子范圍下。

3）溫度對疲勞性能具有明顯影響。隨著溫度的降低，該鈦合金材料斷裂韌性明顯降低。因此，在不同溫度下應(yīng)用時，應(yīng)考慮低溫疲勞性能的影響。

4）通過對TA15，TC4-DT，TC11 和新型鈦合金4 種鈦合金材料的疲勞裂紋擴展行為對比研究和分析可得，新型鈦合金的斷裂韌性較大，TA15 斷裂韌性最小，TC4-DT 與TC11 的斷裂韌性值較接近，在相同條件下新型鈦合金材料的抗疲勞性能較好。