低溫環(huán)境下TC4ELI鈦合金三維疲勞裂紋擴(kuò)展模型

周如江,于培師,吳連生,韋朋余,趙宇翔,趙軍華

(江南大學(xué)1.江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,2.機(jī)械工程學(xué)院,無錫 214122;3.中國船舶科學(xué)研究中心,無錫 214082)

0 引 言

鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度高和耐腐蝕性好等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于深海耐壓設(shè)備中[1],例如,TC4ELI鈦合金就是載人深潛器的關(guān)鍵部件用材[2]。深海服役耐壓設(shè)備不僅要承受巨大的恒定載荷,也要承受不同服役深度下靜水壓力導(dǎo)致的疲勞載荷,甚至在極地服役時還要受到低溫環(huán)境的影響。2006年《極地船級統(tǒng)一要求》中規(guī)定了極地地區(qū)服役船舶結(jié)構(gòu)必須在-60 ℃下具有沖擊韌性。低溫和疲勞兩者的協(xié)同作用,給鈦合金載人深潛裝備的安全設(shè)計(jì)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

國內(nèi)外學(xué)者對金屬在低溫下的力學(xué)性能和疲勞裂紋擴(kuò)展等問題已經(jīng)展開了研究[3-5]。SUN等[6]對TA7鈦合金進(jìn)行了低溫拉伸試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)隨著溫度的降低,TA7鈦合金表現(xiàn)出更高的強(qiáng)度和延展性。廖小偉等[7]對16 mm厚橋梁鋼進(jìn)行了疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)該鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展速率會隨著溫度的降低而變緩。王珂等[8]研究發(fā)現(xiàn),降低溫度后89 mm厚船舶用鈦合金的疲勞壽命提高。吳圣川等[9]綜述了環(huán)境溫度對金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響,總結(jié)了二維理論框架下與溫度相關(guān)的Pairs公式修正模型。目前,大多研究只局限于某一特定厚度下鈦合金的疲勞裂紋擴(kuò)展行為,只對該厚度下鈦合金的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測。然而,二維理論框架內(nèi)的Pairs公式中的材料參數(shù)C和n并非常數(shù),其值會隨著厚度的改變而改變。GUO等[10-11]研究發(fā)現(xiàn),同一材料存在厚度效應(yīng)的本質(zhì)在于離面約束導(dǎo)致的三維效應(yīng)。利用三維裂紋尖端有效應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔKeff來代替二維應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK,即在三維理論框架下建立僅與材料種類相關(guān)的三維疲勞裂紋擴(kuò)展模型,可以實(shí)現(xiàn)對不同厚度金屬材料疲勞壽命的統(tǒng)一描述。

為此,作者在低溫條件下對不同厚度的TC4ELI鈦合金進(jìn)行了不同溫度下的靜態(tài)單軸拉伸試驗(yàn)和疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn),研究了試驗(yàn)合金的疲勞裂紋擴(kuò)展行為,建立了三維疲勞裂紋擴(kuò)展模型,以期為鈦合金深海載人裝備的安全設(shè)計(jì)提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為尺寸為800 mm×500 mm×20 mm的退火態(tài)TC4ELI鈦合金板,由金諾金屬商行提供,其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為0.001 2H,0.004 4Fe,0.004 7N,0.001 2C,0.11O,4.3V,6.1Al,余Ti。分別根據(jù)GB/T 228.3—2019和GB/T 6398—2017,截取如圖1所示的圓棒狀拉伸試樣和緊湊拉伸(CT)試樣,CT試樣的厚度分別為12.5,9.0,6.0,3.0 mm,預(yù)制裂紋長度為2.5 mm。采用MTS Landmark 370.10型電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行靜態(tài)低溫拉伸試驗(yàn)和疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn),在試驗(yàn)前先將溫度降至試驗(yàn)溫度(20,-20,-40,-60 ℃)并保持10 min。拉伸試驗(yàn)時的拉伸速度為120 mm·s-1,不同溫度下各測3組。疲勞試驗(yàn)選取正弦波形加載方式,試驗(yàn)頻率為6 Hz, 固定應(yīng)力比為0.1。采用電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)自帶的開口位移規(guī)(COD)測量張開位移V,將其換算成裂紋長度a,公式如下:

圖1 靜態(tài)低溫拉伸和疲勞裂紋擴(kuò)展試樣的形狀和尺寸Fig.1 Shape and size of static low-temperature tensile (a) and fatigue crack propagation samples (b)

(1)

a/W=1.008-4.4473U+15.4U2-

180.55U3+870.92U4-1 411.3U5

(2)

式中:E為彈性模量;B為試樣厚度;F為施加載荷;W為試樣寬度;U為定義函數(shù),用于簡化公式。

采用Zeiss EVO18型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察CT試樣斷口裂紋預(yù)制區(qū)、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)微觀形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 低溫拉伸性能

由圖2和表1可知,隨著溫度降低,TC4ELI鈦合金的彈性模量基本不變,屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都有明顯的提升,斷后伸長率則逐漸減小,說明溫度降低會導(dǎo)致材料脆化。

表1 不同溫度下 TC4ELI鈦合金的拉伸性能

圖2 不同溫度拉伸時TC4ELI鈦合金的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Engineering stress-strain curves of TC4ELI titanium alloy during tension at different temperatures

2.2 低溫疲勞裂紋擴(kuò)展性能

2.2.1 裂紋長度-循環(huán)周次曲線(a-N曲線)

由圖3可見,隨著厚度的增加,試樣的疲勞壽命明顯縮短。 厚度為3.0,6.0,9.0,12.5 mm時, 試樣的疲勞壽命分別為76 873,46 677,40 373,26 367周次。由圖4可見:厚度為6.0 mm和12.5 mm的試樣的疲勞壽命隨溫度降低均明顯延長。

圖3 20 ℃下不同厚度TC4ELI鈦合金的a-N曲線Fig.3 a-N curves of TC4ELI titanium alloy with different thickness at 20 ℃

圖4 不同溫度下6.0 mm和12.5 mm厚TC4ELI鈦合金的a-N曲線Fig.4 a-N curves of 6.0 mm and 12.5 mm thick TC4ELI titanium alloy at different temperatures

2.2.2 二維疲勞裂紋擴(kuò)展模型

應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK反映了裂紋頂端附近各點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)弱,其計(jì)算公式為

(3)

ΔK=Kmax-Kmin

(4)

(5)

圖5 20 ℃下不同厚度TC4ELI鈦合金的裂紋擴(kuò)展速率散點(diǎn)圖Fig.5 Scatter plot of crack growth rate of TC4ELI titanium alloy with different thickness at 20 ℃

圖6 不同溫度下6.0 mm和12.5 mm厚TC4ELI鈦合金的裂紋擴(kuò)展速率散點(diǎn)圖Fig.6 Scatter plot of crack growth rate of 6.0 mm and 12.5 mm thick TC4ELI titanium alloy at different temperatures

疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN與二維應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK之間的關(guān)系滿足Paris二維公式[12],即

(6)

式中:C,n為材料參數(shù)。

表2 20 ℃下不同厚度TC4ELI鈦合金的Paris參數(shù)

2.2.3 三維疲勞裂紋擴(kuò)展模型

針對閉合效應(yīng)影響裂紋擴(kuò)展速率這一無法忽略的問題,基于三維疲勞裂紋擴(kuò)展理論,使用修正后的有效應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔKeff代替ΔK建立Paris三維修正公式,如下:

(7)

(8)

(9)

(10)

rp0=(π/8)(Kmax/σ0)2

(11)

式中:Ceff,neff為修正后的材料參數(shù)[14];Kop為裂紋張開所需應(yīng)力強(qiáng)度;R為應(yīng)力比;αg為三維應(yīng)力狀態(tài)下裂紋尖端的綜合約束因子;rp0為裂紋尖端塑性區(qū)尺寸;ν為泊松比;σ0為屈服強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度。

聯(lián)立式(8)～(11)計(jì)算不同a下的ΔKeff,得到基于三維疲勞裂紋擴(kuò)展理論的da/dN和ΔKeff的散點(diǎn)圖。采用式(7)對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到修正后的Paris三維公式,如下:

(12)

由圖7可見,不同厚度試驗(yàn)合金在不同溫度下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率是趨于重合的,且da/dN與ΔKeff成線性關(guān)系,該模型可以對不同厚度和不同溫度下試驗(yàn)合金的疲勞裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行統(tǒng)一描述。這說明,由于考慮到了閉合效應(yīng)對裂紋擴(kuò)展速率的影響,與ΔK相比,ΔKeff是控制裂紋擴(kuò)展更本質(zhì)的參數(shù),三維疲勞裂紋擴(kuò)展理論在處理不同厚度試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展問題時有明顯優(yōu)勢。在三維理論框架內(nèi),裂紋尖端的有效驅(qū)動力綜合考慮了材料厚度和試驗(yàn)溫度等因素的影響,可僅用單一厚度和室溫下的有限試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)不同厚度和低溫下TC4ELI鈦合金的疲勞裂紋擴(kuò)展行為描述。

圖7 不同溫度下不同厚度TC4ELI鈦合金的裂紋擴(kuò)展速率散點(diǎn)圖Fig.7 Scatter plot of crack growth rate of TC4ELI titanium alloy with different thickness at different temperatures

2.3 疲勞斷口微觀形貌

由圖8可見:不同試驗(yàn)條件下合金的疲勞斷口均出現(xiàn)明顯的疲勞條帶特征,疲勞條帶呈扇形分布[15],且條帶之間的距離隨裂紋擴(kuò)展而增大,這說明疲勞裂紋擴(kuò)展速率隨著裂紋的擴(kuò)展而加快;在裂紋擴(kuò)展的相同階段,厚度為12.5 mm試驗(yàn)合金的疲勞條帶之間的距離明顯比厚度為3.0 mm試驗(yàn)合金的大,這說明減小厚度會減小疲勞裂紋擴(kuò)展速率;試驗(yàn)溫度為20 ℃下的疲勞條帶之間的距離比試驗(yàn)溫度為-60 ℃下大,這說明降低試驗(yàn)溫度會減小疲勞裂紋擴(kuò)展速率。這與之前的試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

圖8 不同試驗(yàn)條件下TC4ELI鈦合金疲勞斷口不同區(qū)域的微觀形貌Fig.8 Micromorphology of different regions on fatigue fracture surface of TC4ELI titanium alloy under different test conditions: (a,d,g) prefabricated crack zone; (b,e,h) stable propagation region; (c,f,i) transient fracture region

3 結(jié) 論

(1) 隨著溫度(-60～20 ℃)降低,TC4ELI鈦合金的彈性模量基本不變,屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度明顯提高,斷后伸長率則逐漸減小。

(2) 在二維疲勞裂紋擴(kuò)展理論框架下,由于閉合效應(yīng),試驗(yàn)合金的疲勞裂紋擴(kuò)展速率隨著厚度的減小或溫度的降低而降低;不同溫度和不同厚度下Paris二維公式中的材料參數(shù)C和n為變量,并非定值。

(3) 不同溫度和厚度下Paris三維公式中的材料參數(shù)Ceff和neff均為常數(shù),建立的三維疲勞裂紋擴(kuò)展模型可以對不同溫度下不同厚度試驗(yàn)合金的疲勞裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行歸一化描述。