李永正，阮 浩，王 珂，黃翔宇

（江蘇科技大學(xué)，江蘇鎮(zhèn)江 212100）

0 引 言

目前世界各國深海載人潛水器耐壓殼的主要材料都為鈦合金，潛水器在服役過程中可分為下潛、工作、上浮三種狀態(tài)[1]，耐壓殼主要承受往復(fù)載荷作用，使得疲勞損傷成為其主要的損傷形式。世界上耐壓殼材料使用最多的型號為Ti64[2]，然而采用Ti64 鈦合金會導(dǎo)致潛水器重量加大，從而降低潛水器的可操縱性和作業(yè)能力，Ti64 型鈦合金通常只適用于6 500～7 000 米級潛水器，并不適用于全海深潛水器[3]。因此，為了適應(yīng)全海深載人潛水器的作業(yè)需求，我國需要開發(fā)強度更高的鈦合金材料。本文所研究的新型鈦合金便是我國最新設(shè)計的深海載人潛水器耐壓殼專用高強鈦合金,對該鈦合金材料疲勞性能的研究有助于我國在深海載人潛水器研究領(lǐng)域取得重大突破，為開發(fā)更加安全可靠、功能性更強的全海深潛水器打下堅實基礎(chǔ)。因此，針對我國深海載人潛水器耐壓殼用新型鈦合金材料，開展新型鈦合金材料的疲勞試驗，并對鈦合金材料的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)報有著重要的意義。

近年來，國內(nèi)外許多專家學(xué)者針對鈦合金材料的疲勞試驗及疲勞壽命預(yù)報方法開展了諸多研究。2013 年，董慶磊、張建國等[4]通過修正原有的鈦合金疲勞壽命預(yù)報模型，得到了適用于TC21 鈦合金疲勞壽命預(yù)報的新模型；2015 年，Moussaoui 等[5]提出了一種可以在一定程度上描述Ti-6Al-4V 鈦合金疲勞行為的模型，但一旦超過7×105個循環(huán)，該模型的預(yù)報結(jié)果就不精確；同年，Herasymchuk 等[6]提出了一個用于計算表面應(yīng)力集中試樣裂紋萌生疲勞壽命的模型，并進(jìn)行了疲勞試驗，將試驗結(jié)果與計算結(jié)果進(jìn)行了比較，最終得出試驗結(jié)果與該模型的計算結(jié)果具有良好的一致性；2017年，房永強等[7]對TC4鈦合金棒材開展了室溫疲勞壽命試驗，并得到了TC4鈦合金的S-N曲線。2018年，Mu等[8]提出了一種基于指數(shù)函數(shù)的鈦合金高溫低周疲勞壽命預(yù)報模型，對TC4 鈦合金和TC11 鈦合金進(jìn)行了壽命預(yù)報，結(jié)果顯示新模型的壽命預(yù)報能力比Manson-Coffin[9]方法更加有效和準(zhǔn)確，而對于鈦合金TC4壽命的預(yù)測結(jié)果相對于TC11鈦合金的要更加準(zhǔn)確。

為了確定新型鈦合金材料的抗拉強度、屈服強度等一系列基礎(chǔ)力學(xué)參數(shù)，本研究將開展鈦合金材料室溫拉伸試驗；為了獲取該材料的門檻值，還將開展新型鈦合金門檻值試驗；另外，將基于室溫拉伸試驗所獲得的基本力學(xué)參數(shù)開展新型鈦合金在不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命試驗；最后，將基于斷裂力學(xué)方法對新型鈦合金材料疲勞裂紋擴展行為進(jìn)行預(yù)報研究，并將預(yù)報結(jié)果與疲勞壽命試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析，從而確定預(yù)報方法的合理性和準(zhǔn)確性。

1 試驗研究

1.1 新型鈦合金室溫拉伸試驗

材料化學(xué)成分直接影響材料的力學(xué)性能，本文試驗研究的新型鈦合金材料化學(xué)成分檢驗結(jié)果見表1。

表1 新型鈦合金材料化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of new titanium alloy material

為完成新型鈦合金疲勞壽命試驗和壽命預(yù)報，需要得到鈦合金的各項力學(xué)性能，其中鈦合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、規(guī)定塑性延伸強度RP0.2、抗拉強度Rm、斷后伸長率A、斷面收縮率Z、彈性模量E由室溫拉伸試驗測得，以《GB 2649-89 焊接接頭機械性能試驗取樣方法》和《GBT 228.1-2010 金屬材料拉伸試驗第1 部分：室溫拉伸試驗方法》為依據(jù)，進(jìn)行室溫拉伸實驗，共取5 個試樣，試樣編號H-1、H-2、H-3、H-4和H-5，拉伸試樣尺寸如圖1所示。

圖1 室溫拉伸試驗試樣尺寸Fig.1 Sample size of room temperature tensile test

1.2 新型鈦合金門檻值試驗

為預(yù)報新型鈦合金材料的疲勞壽命，需通過試驗確定材料裂紋擴展的門檻值ΔKthR和失穩(wěn)擴展的斷裂韌性KIC，本文采用手動降K法進(jìn)行門檻值試驗，試驗試樣為緊湊拉伸試樣（CT試樣），詳細(xì)尺寸如圖2所示。

圖2 CT試樣尺寸Fig.2 Size of CT sample

1.3 新型鈦合金疲勞壽命試驗

高周疲勞壽命試驗依據(jù)《GB/T 3075-2008 金屬材料疲勞試驗軸向力控制試驗方法》和《GB/T 26077-2010金屬材料疲勞試驗軸向應(yīng)變控制方法》進(jìn)行，采用軸向加載疲勞試驗。根據(jù)規(guī)范，試驗加載波形為正弦波，加載應(yīng)力比為R=0.1，最高應(yīng)力水平分別為屈服強度的0.5、0.6、0.7 和0.8 倍，取試樣斷裂循環(huán)次數(shù)為其疲勞壽命。試驗試樣為圓型光滑試樣，每個應(yīng)力水平做3個試樣，試樣具體尺寸如圖3所示。

圖3 疲勞試驗試樣Fig.3 Fatigue test specimen

1.4 試驗設(shè)備

室溫拉伸試驗的主要設(shè)備有：萬能試驗機、材料參數(shù)測試軟件系統(tǒng)、應(yīng)變式引伸計、游標(biāo)卡尺等。圖4為萬能試驗機。

圖4 萬能試驗機Fig.4 Universal testing machine

門檻值試驗和疲勞壽命試驗的主要設(shè)備有：Instron疲勞試驗機、工業(yè)水冷機、油泵、主控計算機系統(tǒng)等。圖5為Instron疲勞試驗機。

圖5 Instron 8802型疲勞試驗機Fig.5 Instron 8802 fatigue testing machine

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 室溫拉伸試驗結(jié)果

本研究開展了新型鈦合金室溫拉伸試驗，根據(jù)所得試驗數(shù)據(jù)，由式（1）～（3）計算得到的最終試驗結(jié)果如表2所示，對計算結(jié)果取均值，可得到新型鈦合金的基礎(chǔ)力學(xué)性能，如表3所示。

表2 試驗數(shù)據(jù)計算結(jié)果Tab.2 Calculation results of test data

表3 新型鈦合金力學(xué)性能Tab.3 Mechanical properties of new titanium alloy

2.2 門檻值試驗結(jié)果

在鈦合金門檻值試驗完成后，選取10-7mm/cycle≤da/dN≤10-6mm/cycle 的一組數(shù)據(jù)，按照式（4）用線性回歸的方法擬合lg(da/dN)～lg(ΔK)數(shù)據(jù)點，在獲得最佳擬合直線截距及斜率后，取疲勞裂紋擴展速率da/dN=10-7mm/cycle，通過式（4）所計算得到的應(yīng)力強度因子范圍即為對應(yīng)載荷比下的疲勞裂紋擴展門檻值ΔKth[10]

2.3 疲勞壽命試驗結(jié)果與分析

本文開展了新型鈦合金疲勞壽命試驗，根據(jù)預(yù)實驗結(jié)果，應(yīng)力水平為屈服強度的0.5 倍時試樣難以發(fā)生疲勞斷裂，因此為縮短試驗時間，規(guī)定試樣疲勞壽命超過1×107次即符合試驗要求，可停止試驗。試驗所得新型鈦合金材料疲勞試樣所對應(yīng)的最大應(yīng)力以及壽命如表4所示。將試驗數(shù)據(jù)整理成S-N圖，如圖6所示。

表4 疲勞試樣最大應(yīng)力及壽命Tab.4 Maximum stress and life of fatigue specimens

由表4 和圖6 可得，深海載人潛水器耐壓殼用新型鈦合金材料的室溫疲勞壽命隨著應(yīng)力的增大而降低；在應(yīng)力水平為屈服強度的0.5 倍時，試樣在經(jīng)歷1×107循環(huán)后仍未斷裂，且沒有明顯的疲勞裂紋。因此可以認(rèn)為，該新型鈦合金材料疲勞極限為502 MPa；由低到高四個不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命平均值分別是1.21× 107次、1.14 × 106次、1.10 ×105次和5.11× 104次，壽命均值跌幅分別為90.6%、90.4%和53.5%，表明該材料在應(yīng)力水平較低時，其壽命隨應(yīng)力變化而變化的程度更大；在相同應(yīng)力水平下的不同試樣，其壽命均方差值為平均值的10%左右，以最大應(yīng)力702 MPa為例，三組試樣的平均疲勞壽命為1.10 × 105次，均方差值為1.3× 104次，其均方差值與平均壽命比值接近1∶10，數(shù)據(jù)離散性不高；在應(yīng)力水平為0.8 時，該材料平均疲勞壽命只有5.11× 104次，此時接近于低周疲勞。

圖6 新型鈦合金室溫疲勞壽命試驗結(jié)果Fig.6 Experimental results of fatigue life of titanium alloy at room temperature

3 考慮小裂紋效應(yīng)的鈦合金疲勞壽命預(yù)報模型

考慮到疲勞壽命試驗耗時較長，尤其是應(yīng)力水平較低的高周疲勞試驗，往往需要數(shù)天甚至數(shù)十天才能完成，不利于更加深入地研究鈦合金材料的疲勞性能，對于更加密集的應(yīng)力水平下的疲勞壽命評估難度也會更大。因此，為了更加全面地評估新型鈦合金材料的疲勞壽命，對該新型鈦合金進(jìn)行壽命預(yù)報顯得尤為重要。

3.1 預(yù)報模型及參數(shù)確定

2015年王珂[11]在疲勞壽命統(tǒng)一預(yù)報方法和Chapetti 模型基礎(chǔ)上，對裂紋尖端彈塑性和小裂紋擴展門檻值進(jìn)行修正，提出了該模型。該修正模型主要在四個方面進(jìn)行了改進(jìn)：（1）對小裂紋的尖端塑性區(qū)進(jìn)行了彈塑性修正；（2）考慮了小裂紋門檻值會隨裂紋長度變化而變化的特點，該值會由與疲勞極限相關(guān)的小裂紋擴展門檻值增加到長裂紋擴展門檻值；（3）在模型中引入與疲勞極限相關(guān)的內(nèi)部裂紋尺寸，滿足對小裂紋擴展行為的預(yù)報要求；（4）新模型能夠?qū)φ麄€疲勞裂紋擴展周期進(jìn)行預(yù)報。王珂[5]在論文中對該模型的疲勞壽命預(yù)報準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗證，試驗結(jié)果與預(yù)報結(jié)果表明，考慮小裂紋效應(yīng)的疲勞裂紋擴展預(yù)報模型能夠很好地預(yù)報鈦合金光滑試件的疲勞壽命。該模型可表達(dá)為

王珂[11]改進(jìn)后的裂紋閉合參數(shù)k的表達(dá)式為

本文采用考慮小裂紋效應(yīng)的鈦合金疲勞裂紋擴展預(yù)報模型對新型鈦合金材料疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)報研究，模型中的參數(shù)擬合結(jié)果如表5所示。

表5 模型參數(shù)Tab.5 Model parameters

3.2 模型預(yù)報結(jié)果

本文的預(yù)報工況與試驗工況一致，均采用載荷比R=0.1,環(huán)境溫度為20 ℃，利用王珂[11]的考慮小裂紋效應(yīng)的疲勞裂紋擴展預(yù)報模型對鈦合金疲勞壽命進(jìn)行預(yù)報研究，將預(yù)報結(jié)果和試驗值進(jìn)行對比，結(jié)果如圖7所示。

圖7 鈦合金疲勞壽命預(yù)報值與試驗值對比Fig.7 Comparison of experimental and predicted fatigue lives for titanium alloys

從預(yù)報結(jié)果可以看出：新型鈦合金材料疲勞壽命隨應(yīng)力水平降低而逐漸增大；在最大應(yīng)力為520 MPa 時達(dá)到材料疲勞極限，當(dāng)最大應(yīng)力高于800 MPa 時接近于低周疲勞；在高周疲勞階段，該修正模型對鈦合金光滑試件疲勞壽命的預(yù)報結(jié)果與試驗值吻合較好，相同應(yīng)力水平下兩者所得疲勞壽命誤差不高于10%；但是在低周疲勞階段，當(dāng)最大應(yīng)力接近材料的屈服應(yīng)力時，試驗值明顯高于該修正模型的預(yù)報結(jié)果，兩者誤差達(dá)到了40%～50%。這可能是由于材料在試驗過程中產(chǎn)生了應(yīng)變硬化，即材料經(jīng)過較大應(yīng)力作用進(jìn)入屈服階段時，又增強了自身抵抗變形的能力，這時，要使材料繼續(xù)變形需要增大應(yīng)力，而考慮小裂紋效應(yīng)的修正模型中沒有考慮應(yīng)變硬化。但總體來看，考慮小裂紋效應(yīng)的修正模型能夠很好地預(yù)報鈦合金光滑試件的疲勞壽命。

4 結(jié) 論

本文開展了新型鈦合金室溫拉伸試驗、門檻值試驗和疲勞壽命試驗，獲得了該材料的基本力學(xué)參數(shù)以及在不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命。同時引入王珂提出的考慮小裂紋效應(yīng)的修正模型，利用逐周迭代的方法對新型鈦合金疲勞壽命進(jìn)行預(yù)報，并將預(yù)報結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行了對比，得到了以下結(jié)論：

（1）該新型鈦合金材料具有良好的力學(xué)性能，其屈服強度達(dá)到了1 004 MPa，抗拉強度達(dá)到了1 099 MPa，均高于普通鈦合金TC4[12]，可作為載人潛水器耐壓殼的主要材料，為載人潛水器面向全海深發(fā)展提供保障。

（2）該新型鈦合金材料的室溫疲勞壽命隨循環(huán)應(yīng)力的增大而降低，實驗表明在應(yīng)力水平為屈服強度的0.5 倍時達(dá)到材料疲勞極限502 MPa，在應(yīng)力水平為0.8 時該材料平均疲勞壽命只有51 100 次，此時接近于低周疲勞，該材料在應(yīng)力水平較低時，其壽命隨應(yīng)力變化而變化的程度更大。

（3）在高周疲勞階段，該修正模型對鈦合金光滑試件疲勞壽命的預(yù)報結(jié)果與試驗值吻合較好，相同應(yīng)力水平下兩者所得疲勞壽命誤差不高于10%；在低周疲勞階段，當(dāng)最大應(yīng)力接近材料的屈服應(yīng)力時，疲勞壽命試驗值明顯高于預(yù)報結(jié)果，兩者誤差達(dá)到了40%～50%,這可能是由于材料在試驗過程中產(chǎn)生了應(yīng)變硬化而導(dǎo)致的。