新型钛合金材料疲劳裂纹扩展试验研究

王 珂，吴 丽，李永正，卞程程，张曙光，李 伟

(1.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003；2.南京市海洋装备及防务工程研究中心，江苏 南京 210000；3.中涂化工（上海）有限公司，上海 201814)

0 引 言

从20 世纪50 年代开始，船舶与海洋制造领域开始使用钛合金制造结构部件及潜水器耐压壳体[1]。大深度载人潜水器由于需要进行各种科学探索研究以及打捞救生等任务而必须频繁上浮和下潜，故耐压壳体在服役过程中会不断地承受载荷增加-载荷减小的过程，因此疲劳破坏就成为潜水器耐压壳服役期间主要的破坏形式[2–3]。钛合金材料由于其在极端环境下仍具有较好的力学性能，且强度重量比高、抗腐蚀能力强，可研究应用于耐压壳体的制造。为了使潜水器下潜深度突破极限，材料科学家研制出新型钛合金，新型钛合金材料疲劳性能的研究具有重要工程应用和科学研究价值[4]。

因此，本文对新型钛合金材料的室温力学性能、断裂韧性、不同载荷比以及不同温度下的疲劳裂纹扩展行为进行试验研究，并将新型钛合金材料的试验结果与3 种钛合金材料的疲劳裂纹扩展速率进行对比分析，从而验证该新型钛合金材料的疲劳性能，为新型钛合金材料的应用提供依据。

1 试验研究

根据GB/T228.1-2010 和GB/T07314-2005 对该材料的室温力学性能开展试验研究，室温下力学性能如表1所示。根据GB/T 4161-2007 对断裂韧性进行试验，断裂韧性CT 试样尺寸如图1 所示，得到室温下新型钛合金材料的平均断裂韧性为

表1 新型钛合金的力学性能表Tab.1 Mechanical properties of new titanium alloys

图1 断裂韧性CT 试样尺寸图Fig.1 Fracture toughness CT sample size chart

在试验前对每个试样进行预制疲劳裂纹，根据《GB/T6398 2000 金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》上的要求预制裂纹。预制裂纹初始平均载荷Pm=4 kN，振幅Pa=16 kN，频率2.5 Hz，预制纹目标长度为24.5 mm。试样根据GB/T 4161-2007 进行加工制备，尺寸如图2所示。采用增大应力强度因子 K的试验方法，试验过程采用COD 规测定试样裂纹的张开位移，通过柔度法计算裂纹长度。新型钛合金室温裂纹扩展速率试验在Instron8802 型高低温疲劳试验机上进行，试验选用3 种载荷比，即0.1，0.3 和0.5，在各种载荷比R 下，采用正弦波形式的载荷，载荷谱如图3 所示。新型钛合金低温裂纹扩展速率试验在环境箱内进行试验，选取载荷比为0.5，测试试样4 个不同温度，即20 ℃，−20 ℃，−40 ℃和−60 ℃。

图2 试样尺寸图Fig.2 Sample size chart

图3 加载示意图Fig.3 Loading diagram

2 试验结果与分析

2.1 新型钛合金室温裂纹扩展速率试验结果

为了研究新型钛合金的疲劳性能，进行0.1，0.3和0.5[5]三种载荷比下疲劳裂纹扩展行为试验，图4 为0.1，0.3 和0.5 三个载荷比下裂纹长度a 循环次数N 变化曲线。由图可知，3 个载荷比下裂纹的初始长度a0约为28 mm，随着循环次数的增加，裂纹长度增加，裂纹扩展速率逐渐增加，最终发生断裂，断裂时刻裂纹长度ac分别为41.9 mm，42 mm 和42.2 mm，断裂时刻的循环次数Nf分别为6400，9800 和22500。由试验可知，在相同最大载荷下，随着载荷比的增加，新型钛合金的寿命增加。

图5 为3 个载荷比下新型钛合金材料疲劳裂纹扩展速率曲线。由图可知，应力强度因子范围 ∆K对新型钛合金的疲劳裂纹扩展速率 da/dN有较明显的影响，随着应力强度因子范围 ∆K的增加，新型钛合金的疲劳裂纹扩展速率明显增加；当达到疲劳断裂韧性时，即试件发生断裂；随着载荷比R 的增加，新型钛合金的疲劳裂纹扩展速率增加，随着∆K增加3 个载荷比下疲劳裂纹扩展速率之间差异变大。由此可见，载荷比对新型钛合金的疲劳裂纹扩展速率具有明显影响，产生这个现象的原因是由于裂纹闭合效应造成的，尤其是裂纹面塑性和裂纹表面粗超度引起的裂纹闭合，断裂后裂纹面如图6 所示。

图4 不同载荷比下新型钛合金疲劳裂纹扩展 a −N曲线Fig.4 Fatigue crack growth curve of new titanium alloy under different load ratios

图5 新型钛合金不同R 值的疲劳裂纹扩展速率试验结果曲线Fig.5 Fatigue crack growth rate test result curve of different R values of new titanium alloy

2.2 新型钛合金低温裂纹扩展速率试验结果[6]

图6 CT 试件断口外貌图Fig.6 CT specimen fracture appearance

新型钛合金材料可能将被应用在低温工作环境，因此本文开展新型钛合金低温疲劳性能试验，对比20 ℃，−20 ℃，−40 ℃和−60 ℃四种不同温度下疲劳裂纹扩展行为，图7 为4 个温度下裂纹长度a 循环次数N 变化曲线。由图可知，4 个温度下新型钛合金裂纹的初始长度约为24 mm。随着循环次数的增加，裂纹长度增加，裂纹扩展速率逐渐增加，最终钛合金发生断裂，断裂时刻裂纹长度ac分别为37.5 mm，38.5 mm，37.6 mm和36 mm，断裂时刻的循环次数Nf分别为48000，60000，68000 和87000。由试验可知，低温对新型钛合金的裂纹扩展行为有明显影响，随着温度的降低，寿命变大，在−60 ℃时寿命最大，这主要是由于随着温度的降低，该钛合金材料疲劳裂纹扩展速率降低，尤其是在门槛值和低应力强度因子范围下。

图7 钛合金疲劳裂纹扩展a-N 曲线Fig.7 A-N curve of fatigue crack growth of titanium alloy

图8 为4 种不同温度下新型钛合金材料疲劳裂纹扩展速率曲线。由图可知，应力强度因子范围 ∆K对新型钛合金的疲劳裂纹扩展速率da/dN有较明显的影响，在低应力强度因子范围下，即随着温度的降低，钛合金疲劳裂纹扩展速率降低。根据图中变化趋势，可以预测随着应力强度因子范围的降低，各温度下疲劳裂纹扩展速率之间的差异增加，直到达到门槛值。当时，4 个温度下的疲劳裂纹扩展速率几乎重合，该处为裂纹扩展速率转变点；当应力强度因子范围时，随着温度的降低，疲劳裂纹扩展速率明显增加直到断裂发生。由试验可知，随着温度的降低，该钛合金材料断裂韧性明显降低。可以看出，温度对疲劳性能具有明显影响，在不同温度下应用时，应考虑低温疲劳性能的影响。

图8 不同温度下钛合金疲劳裂纹扩展速率曲线Fig.8 Fatigue crack growth rate curve of titanium alloy at different temperatures

2.3 对比不同钛合金的裂纹扩展速率

为了验证该新型钛合金材料疲劳性能的优劣性，开展4 种不同钛合金材料的疲劳裂纹扩展行为对比研究和分析，4 种钛合金材料分别为TA15，TC4-DT，TC11 和新型钛合金。图9 为TA15[7]，TC4-DT[8]，TC11[9]和新型钛合金在R=0.1 时的 da/dN-∆ K曲线。由图可知，随着应力强度因子 ∆K范围的增加，TA15 的疲劳裂纹扩展速率 da/dN始终高于其他3 种钛合金，即说明TA15 具有较低的疲劳阻抗。在整个应力强度因子范围内TC4-DT 的疲劳裂纹扩展速率高于新型钛合金，TC11 的疲劳裂纹扩展速率 da/dN在应力强度因子范围时低于新型钛合金，在应力强度因子范围时高于新型钛合金。

图9 R=0.1 时，不同材料的疲劳裂纹扩展速率试验曲线Fig.9 Fatigue crack growth rate test curves for different materials at R = 0.1

当4 种材料的疲劳裂纹扩展速率试验曲线过渡到失稳快速扩展阶段时，新型钛合金的断裂韧性较大，TA15断裂韧性最小，TC4-DT 与TC11 的断裂韧性值较接近。由此可见，在相同条件下新型钛合金的抗疲劳性能较好。

3 结 语

本文开展了力学基础性能试验、新型钛合金室温裂纹扩展速率试验以及新型钛合金低温裂纹扩展速率试验，对比不同材料在相同载荷比下的疲劳裂纹扩展速率曲线，得到如下结论：

1）载荷比对疲劳裂纹扩展速率具有明显影响。随着载荷比R 的增加，新型钛合金的疲劳裂纹扩展速率增加。随着 ∆K增加，3 个载荷比下疲劳裂纹扩展速率之间差异变大。产生这个现象的原因是由于裂纹闭合效应造成的，尤其是裂纹面塑性和裂纹表面粗糙度引起的裂纹闭合。

2）低温对裂纹扩展行为有明显影响。随着温度的降低，寿命变大，在−60 ℃时寿命最大，这主要是由于随着温度的降低，该钛合金材料疲劳裂纹扩展速率降低，尤其是在门槛值和低应力强度因子范围下。

3）温度对疲劳性能具有明显影响。随着温度的降低，该钛合金材料断裂韧性明显降低。因此，在不同温度下应用时，应考虑低温疲劳性能的影响。

4）通过对TA15，TC4-DT，TC11 和新型钛合金4 种钛合金材料的疲劳裂纹扩展行为对比研究和分析可得，新型钛合金的断裂韧性较大，TA15 断裂韧性最小，TC4-DT 与TC11 的断裂韧性值较接近，在相同条件下新型钛合金材料的抗疲劳性能较好。