新型鈦合金材料疲勞壽命試驗(yàn)及預(yù)報(bào)方法研究

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(guó)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(guò)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(hào)為T(mén)i64[2]，然而采用Ti64 鈦合金會(huì)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(jí)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(guó)需要開(kāi)發(fā)強(qiáng)度更高的鈦合金材料。本文所研究的新型鈦合金便是我國(guó)最新設(shè)計(jì)的深海載人潛水器耐壓殼專(zhuān)用高強(qiáng)鈦合金,對(duì)該鈦合金材料疲勞性能的研究有助于我國(guó)在深海載人潛水器研究領(lǐng)域取得重大突破，為開(kāi)發(fā)更加安全可靠、功能性更強(qiáng)的全海深潛水器打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。因此，針對(duì)我國(guó)深海載人潛水器耐壓殼用新型鈦合金材料，開(kāi)展新型鈦合金材料的疲勞試驗(yàn)，并對(duì)鈦合金材料的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)報(bào)有著重要的意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家學(xué)者針對(duì)鈦合金材料的疲勞試驗(yàn)及疲勞壽命預(yù)報(bào)方法開(kāi)展了諸多研究。2013 年，董慶磊、張建國(guó)等[4]通過(guò)修正原有的鈦合金疲勞壽命預(yù)報(bào)模型，得到了適用于TC21 鈦合金疲勞壽命預(yù)報(bào)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(guò)7×105個(gè)循環(huán)，該模型的預(yù)報(bào)結(jié)果就不精確；同年，Herasymchuk 等[6]提出了一個(gè)用于計(jì)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(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，最終得出試驗(yàn)結(jié)果與該模型的計(jì)算結(jié)果具有良好的一致性；2017年，房永強(qiáng)等[7]對(duì)TC4鈦合金棒材開(kāi)展了室溫疲勞壽命試驗(yàn)，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(bào)模型，對(duì)TC4 鈦合金和TC11 鈦合金進(jìn)行了壽命預(yù)報(bào)，結(jié)果顯示新模型的壽命預(yù)報(bào)能力比Manson-Coffin[9]方法更加有效和準(zhǔn)確，而對(duì)于鈦合金TC4壽命的預(yù)測(cè)結(jié)果相對(duì)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(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等一系列基礎(chǔ)力學(xué)參數(shù)，本研究將開(kāi)展鈦合金材料室溫拉伸試驗(yàn)；為了獲取該材料的門(mén)檻值，還將開(kāi)展新型鈦合金門(mén)檻值試驗(yàn)；另外，將基于室溫拉伸試驗(yàn)所獲得的基本力學(xué)參數(shù)開(kāi)展新型鈦合金在不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命試驗(yàn)；最后，將基于斷裂力學(xué)方法對(duì)新型鈦合金材料疲勞裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行預(yù)報(bào)研究，并將預(yù)報(bào)結(jié)果與疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，從而確定預(yù)報(bào)方法的合理性和準(zhǔn)確性。

1 試驗(yàn)研究

1.1 新型鈦合金室溫拉伸試驗(yàn)

材料化學(xué)成分直接影響材料的力學(xué)性能，本文試驗(yàn)研究的新型鈦合金材料化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(yàn)和壽命預(yù)報(bào)，需要得到鈦合金的各項(xiàng)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(qiáng)度RP0.2、抗拉強(qiáng)度Rm、斷后伸長(zhǎng)率A、斷面收縮率Z、彈性模量E由室溫拉伸試驗(yàn)測(cè)得，以《GB 2649-89 焊接接頭機(jī)械性能試驗(yàn)取樣方法》和《GBT 228.1-2010 金屬材料拉伸試驗(yàn)第1 部分：室溫拉伸試驗(yàn)方法》為依據(jù)，進(jìn)行室溫拉伸實(shí)驗(yàn)，共取5 個(gè)試樣，試樣編號(hào)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(yàn)試樣尺寸Fig.1 Sample size of room temperature tensile test

1.2 新型鈦合金門(mén)檻值試驗(yàn)

為預(yù)報(bào)新型鈦合金材料的疲勞壽命，需通過(guò)試驗(yàn)確定材料裂紋擴(kuò)展的門(mén)檻值ΔKthR和失穩(wěn)擴(kuò)展的斷裂韌性KIC，本文采用手動(dòng)降K法進(jìn)行門(mén)檻值試驗(yàn)，試驗(yàn)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(yàn)

高周疲勞壽命試驗(yàn)依據(jù)《GB/T 3075-2008 金屬材料疲勞試驗(yàn)軸向力控制試驗(yàn)方法》和《GB/T 26077-2010金屬材料疲勞試驗(yàn)軸向應(yīng)變控制方法》進(jìn)行，采用軸向加載疲勞試驗(yàn)。根據(jù)規(guī)范，試驗(yàn)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(qiáng)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(yàn)試樣為圓型光滑試樣，每個(gè)應(yīng)力水平做3個(gè)試樣，試樣具體尺寸如圖3所示。

圖3 疲勞試驗(yàn)試樣Fig.3 Fatigue test specimen

1.4 試驗(yàn)設(shè)備

室溫拉伸試驗(yàn)的主要設(shè)備有：萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、材料參數(shù)測(cè)試軟件系統(tǒng)、應(yīng)變式引伸計(jì)、游標(biāo)卡尺等。圖4為萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。

圖4 萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)Fig.4 Universal testing machine

門(mén)檻值試驗(yàn)和疲勞壽命試驗(yàn)的主要設(shè)備有：Instron疲勞試驗(yàn)機(jī)、工業(yè)水冷機(jī)、油泵、主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等。圖5為Instron疲勞試驗(yàn)機(jī)。

圖5 Instron 8802型疲勞試驗(yàn)機(jī)Fig.5 Instron 8802 fatigue testing machine

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

本研究開(kāi)展了新型鈦合金室溫拉伸試驗(yàn)，根據(jù)所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，由式（1）～（3）計(jì)算得到的最終試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，對(duì)計(jì)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(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)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(mén)檻值試驗(yàn)結(jié)果

在鈦合金門(mén)檻值試驗(yàn)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(diǎn)，在獲得最佳擬合直線截距及斜率后，取疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN=10-7mm/cycle，通過(guò)式（4）所計(jì)算得到的應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍即為對(duì)應(yīng)載荷比下的疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值ΔKth[10]

2.3 疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果與分析

本文開(kāi)展了新型鈦合金疲勞壽命試驗(yàn)，根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)力水平為屈服強(qiáng)度的0.5 倍時(shí)試樣難以發(fā)生疲勞斷裂，因此為縮短試驗(yàn)時(shí)間，規(guī)定試樣疲勞壽命超過(guò)1×107次即符合試驗(yàn)要求，可停止試驗(yàn)。試驗(yàn)所得新型鈦合金材料疲勞試樣所對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力以及壽命如表4所示。將試驗(yàn)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(qiáng)度的0.5 倍時(shí)，試樣在經(jīng)歷1×107循環(huán)后仍未斷裂，且沒(méi)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(gè)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(shí)，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(shí)，該材料平均疲勞壽命只有5.11× 104次，此時(shí)接近于低周疲勞。

圖6 新型鈦合金室溫疲勞壽命試驗(yàn)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(bào)模型

考慮到疲勞壽命試驗(yàn)耗時(shí)較長(zhǎng)，尤其是應(yīng)力水平較低的高周疲勞試驗(yàn)，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(duì)于更加密集的應(yīng)力水平下的疲勞壽命評(píng)估難度也會(huì)更大。因此，為了更加全面地評(píng)估新型鈦合金材料的疲勞壽命，對(duì)該新型鈦合金進(jìn)行壽命預(yù)報(bào)顯得尤為重要。

3.1 預(yù)報(bào)模型及參數(shù)確定

2015年王珂[11]在疲勞壽命統(tǒng)一預(yù)報(bào)方法和Chapetti 模型基礎(chǔ)上，對(duì)裂紋尖端彈塑性和小裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值進(jìn)行修正，提出了該模型。該修正模型主要在四個(gè)方面進(jìn)行了改進(jìn)：（1）對(duì)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(mén)檻值會(huì)隨裂紋長(zhǎng)度變化而變化的特點(diǎn)，該值會(huì)由與疲勞極限相關(guān)的小裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值增加到長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展門(mén)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(duì)小裂紋擴(kuò)展行為的預(yù)報(bào)要求；（4）新模型能夠?qū)φ麄€(gè)疲勞裂紋擴(kuò)展周期進(jìn)行預(yù)報(bào)。王珂[5]在論文中對(duì)該模型的疲勞壽命預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)報(bào)結(jié)果表明，考慮小裂紋效應(yīng)的疲勞裂紋擴(kuò)展預(yù)報(bào)模型能夠很好地預(yù)報(bào)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(kuò)展預(yù)報(bào)模型對(duì)新型鈦合金材料疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)報(bào)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(bào)結(jié)果

本文的預(yù)報(bào)工況與試驗(yàn)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(kuò)展預(yù)報(bào)模型對(duì)鈦合金疲勞壽命進(jìn)行預(yù)報(bào)研究，將預(yù)報(bào)結(jié)果和試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7所示。

圖7 鈦合金疲勞壽命預(yù)報(bào)值與試驗(yàn)值對(duì)比Fig.7 Comparison of experimental and predicted fatigue lives for titanium alloys

從預(yù)報(bào)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(shí)達(dá)到材料疲勞極限，當(dāng)最大應(yīng)力高于800 MPa 時(shí)接近于低周疲勞；在高周疲勞階段，該修正模型對(duì)鈦合金光滑試件疲勞壽命的預(yù)報(bào)結(jié)果與試驗(yàn)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(shí)，試驗(yàn)值明顯高于該修正模型的預(yù)報(bào)結(jié)果，兩者誤差達(dá)到了40%～50%。這可能是由于材料在試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生了應(yīng)變硬化，即材料經(jīng)過(guò)較大應(yīng)力作用進(jìn)入屈服階段時(shí)，又增強(qiáng)了自身抵抗變形的能力，這時(shí)，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(méi)有考慮應(yīng)變硬化。但總體來(lái)看，考慮小裂紋效應(yīng)的修正模型能夠很好地預(yù)報(bào)鈦合金光滑試件的疲勞壽命。

4 結(jié) 論

本文開(kāi)展了新型鈦合金室溫拉伸試驗(yàn)、門(mén)檻值試驗(yàn)和疲勞壽命試驗(yàn)，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(shí)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(duì)新型鈦合金疲勞壽命進(jìn)行預(yù)報(bào)，并將預(yù)報(bào)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)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(qiáng)度達(dá)到了1 004 MPa，抗拉強(qiáng)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(shí)驗(yàn)表明在應(yīng)力水平為屈服強(qiáng)度的0.5 倍時(shí)達(dá)到材料疲勞極限502 MPa，在應(yīng)力水平為0.8 時(shí)該材料平均疲勞壽命只有51 100 次，此時(shí)接近于低周疲勞，該材料在應(yīng)力水平較低時(shí)，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(duì)鈦合金光滑試件疲勞壽命的預(yù)報(bào)結(jié)果與試驗(yàn)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(shí)，疲勞壽命試驗(yàn)值明顯高于預(yù)報(bào)結(jié)果，兩者誤差達(dá)到了40%～50%,這可能是由于材料在試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生了應(yīng)變硬化而導(dǎo)致的。