新型鈦合金材料疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)研究

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(jì)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(jìn)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(qiáng)度重量比高、抗腐蝕能力強(qiáng)，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(kuò)展行為進(jìn)行試驗(yàn)研究，并將新型鈦合金材料的試驗(yàn)結(jié)果與3 種鈦合金材料的疲勞裂紋擴(kuò)展速率進(jìn)行對比分析，從而驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(jìn)行試驗(yàn)，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(yàn)前對每個試樣進(jìn)行預(yù)制疲勞裂紋，根據(jù)《GB/T6398 2000 金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)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(biāo)長度為24.5 mm。試樣根據(jù)GB/T 4161-2007 進(jìn)行加工制備，尺寸如圖2所示。采用增大應(yīng)力強(qiáng)度因子 K的試驗(yàn)方法，試驗(yàn)過程采用COD 規(guī)測定試樣裂紋的張開位移，通過柔度法計(jì)算裂紋長度。新型鈦合金室溫裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)在Instron8802 型高低溫疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)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(kuò)展速率試驗(yàn)在環(huán)境箱內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，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(yàn)結(jié)果與分析

2.1 新型鈦合金室溫裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)結(jié)果

為了研究新型鈦合金的疲勞性能，進(jìn)行0.1，0.3和0.5[5]三種載荷比下疲勞裂紋擴(kuò)展行為試驗(yàn)，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(kuò)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(yàn)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(kuò)展速率曲線。由圖可知，應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍 ?K對新型鈦合金的疲勞裂紋擴(kuò)展速率 da/dN有較明顯的影響，隨著應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍 ?K的增加，新型鈦合金的疲勞裂紋擴(kuò)展速率明顯增加；當(dāng)達(dá)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(kuò)展速率增加，隨著?K增加3 個載荷比下疲勞裂紋擴(kuò)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(kuò)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(kuò)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(kuò)展速率試驗(yàn)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(kuò)展速率試驗(yàn)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(yàn)，對比20 ℃，?20 ℃，?40 ℃和?60 ℃四種不同溫度下疲勞裂紋擴(kuò)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(kuò)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(yàn)可知，低溫對新型鈦合金的裂紋擴(kuò)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(kuò)展速率降低，尤其是在門檻值和低應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍下。

圖7 鈦合金疲勞裂紋擴(kuò)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(kuò)展速率曲線。由圖可知，應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍 ?K對新型鈦合金的疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN有較明顯的影響，在低應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍下，即隨著溫度的降低，鈦合金疲勞裂紋擴(kuò)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(qiáng)度因子范圍的降低，各溫度下疲勞裂紋擴(kuò)展速率之間的差異增加，直到達(dá)到門檻值。當(dāng)時，4 個溫度下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率幾乎重合，該處為裂紋擴(kuò)展速率轉(zhuǎn)變點(diǎn)；當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍時，隨著溫度的降低，疲勞裂紋擴(kuò)展速率明顯增加直到斷裂發(fā)生。由試驗(yàn)可知，隨著溫度的降低，該鈦合金材料斷裂韌性明顯降低。可以看出，溫度對疲勞性能具有明顯影響，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(kuò)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(kuò)展速率

為了驗(yàn)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(kuò)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(qiáng)度因子 ?K范圍的增加，TA15 的疲勞裂紋擴(kuò)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(qiáng)度因子范圍內(nèi)TC4-DT 的疲勞裂紋擴(kuò)展速率高于新型鈦合金，TC11 的疲勞裂紋擴(kuò)展速率 da/dN在應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍時低于新型鈦合金，在應(yīng)力強(qiáng)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(kuò)展速率試驗(yàn)曲線Fig.9 Fatigue crack growth rate test curves for different materials at R = 0.1

當(dāng)4 種材料的疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)曲線過渡到失穩(wěn)快速擴(kuò)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(yàn)、新型鈦合金室溫裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)以及新型鈦合金低溫裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)，對比不同材料在相同載荷比下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線，得到如下結(jié)論：

1）載荷比對疲勞裂紋擴(kuò)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(kuò)展速率增加。隨著 ?K增加，3 個載荷比下疲勞裂紋擴(kuò)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(kuò)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(kuò)展速率降低，尤其是在門檻值和低應(yīng)力強(qiáng)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(kuò)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。