新型钛合金材料疲劳寿命试验及预报方法研究

2021-11-26李永正黄翔宇

船舶力学 2021年11期

李永正，阮浩，王珂，黄翔宇

（江苏科技大学，江苏镇江 212100）

0 引言

目前世界各国深海载人潜水器耐压壳的主要材料都为钛合金，潜水器在服役过程中可分为下潜、工作、上浮三种状态[1]，耐压壳主要承受往复载荷作用，使得疲劳损伤成为其主要的损伤形式。世界上耐压壳材料使用最多的型号为Ti64[2]，然而采用Ti64 钛合金会导致潜水器重量加大，从而降低潜水器的可操纵性和作业能力，Ti64 型钛合金通常只适用于6 500～7 000 米级潜水器，并不适用于全海深潜水器[3]。因此，为了适应全海深载人潜水器的作业需求，我国需要开发强度更高的钛合金材料。本文所研究的新型钛合金便是我国最新设计的深海载人潜水器耐压壳专用高强钛合金,对该钛合金材料疲劳性能的研究有助于我国在深海载人潜水器研究领域取得重大突破，为开发更加安全可靠、功能性更强的全海深潜水器打下坚实基础。因此，针对我国深海载人潜水器耐压壳用新型钛合金材料，开展新型钛合金材料的疲劳试验，并对钛合金材料的疲劳寿命进行预报有着重要的意义。

近年来，国内外许多专家学者针对钛合金材料的疲劳试验及疲劳寿命预报方法开展了诸多研究。2013 年，董庆磊、张建国等[4]通过修正原有的钛合金疲劳寿命预报模型，得到了适用于TC21 钛合金疲劳寿命预报的新模型；2015 年，Moussaoui 等[5]提出了一种可以在一定程度上描述Ti-6Al-4V 钛合金疲劳行为的模型，但一旦超过7×105个循环，该模型的预报结果就不精确；同年，Herasymchuk 等[6]提出了一个用于计算表面应力集中试样裂纹萌生疲劳寿命的模型，并进行了疲劳试验，将试验结果与计算结果进行了比较，最终得出试验结果与该模型的计算结果具有良好的一致性；2017年，房永强等[7]对TC4钛合金棒材开展了室温疲劳寿命试验，并得到了TC4钛合金的S-N曲线。2018年，Mu等[8]提出了一种基于指数函数的钛合金高温低周疲劳寿命预报模型，对TC4 钛合金和TC11 钛合金进行了寿命预报，结果显示新模型的寿命预报能力比Manson-Coffin[9]方法更加有效和准确，而对于钛合金TC4寿命的预测结果相对于TC11钛合金的要更加准确。

为了确定新型钛合金材料的抗拉强度、屈服强度等一系列基础力学参数，本研究将开展钛合金材料室温拉伸试验；为了获取该材料的门槛值，还将开展新型钛合金门槛值试验；另外，将基于室温拉伸试验所获得的基本力学参数开展新型钛合金在不同应力水平下的疲劳寿命试验；最后，将基于断裂力学方法对新型钛合金材料疲劳裂纹扩展行为进行预报研究，并将预报结果与疲劳寿命试验结果进行对比分析，从而确定预报方法的合理性和准确性。

1 试验研究

1.1 新型钛合金室温拉伸试验

材料化学成分直接影响材料的力学性能，本文试验研究的新型钛合金材料化学成分检验结果见表1。

表1 新型钛合金材料化学成分Tab.1 Chemical composition of new titanium alloy material

为完成新型钛合金疲劳寿命试验和寿命预报，需要得到钛合金的各项力学性能，其中钛合金的应力-应变曲线、规定塑性延伸强度RP0.2、抗拉强度Rm、断后伸长率A、断面收缩率Z、弹性模量E由室温拉伸试验测得，以《GB 2649-89 焊接接头机械性能试验取样方法》和《GBT 228.1-2010 金属材料拉伸试验第1 部分：室温拉伸试验方法》为依据，进行室温拉伸实验，共取5 个试样，试样编号H-1、H-2、H-3、H-4和H-5，拉伸试样尺寸如图1所示。

图1 室温拉伸试验试样尺寸Fig.1 Sample size of room temperature tensile test

1.2 新型钛合金门槛值试验

为预报新型钛合金材料的疲劳寿命，需通过试验确定材料裂纹扩展的门槛值ΔKthR和失稳扩展的断裂韧性KIC，本文采用手动降K法进行门槛值试验，试验试样为紧凑拉伸试样（CT试样），详细尺寸如图2所示。

图2 CT试样尺寸Fig.2 Size of CT sample

1.3 新型钛合金疲劳寿命试验

高周疲劳寿命试验依据《GB/T 3075-2008 金属材料疲劳试验轴向力控制试验方法》和《GB/T 26077-2010金属材料疲劳试验轴向应变控制方法》进行，采用轴向加载疲劳试验。根据规范，试验加载波形为正弦波，加载应力比为R=0.1，最高应力水平分别为屈服强度的0.5、0.6、0.7 和0.8 倍，取试样断裂循环次数为其疲劳寿命。试验试样为圆型光滑试样，每个应力水平做3个试样，试样具体尺寸如图3所示。

图3 疲劳试验试样Fig.3 Fatigue test specimen

1.4 试验设备

室温拉伸试验的主要设备有：万能试验机、材料参数测试软件系统、应变式引伸计、游标卡尺等。图4为万能试验机。

图4 万能试验机Fig.4 Universal testing machine

门槛值试验和疲劳寿命试验的主要设备有：Instron疲劳试验机、工业水冷机、油泵、主控计算机系统等。图5为Instron疲劳试验机。

图5 Instron 8802型疲劳试验机Fig.5 Instron 8802 fatigue testing machine

2 试验结果与分析

2.1 室温拉伸试验结果

本研究开展了新型钛合金室温拉伸试验，根据所得试验数据，由式（1）～（3）计算得到的最终试验结果如表2所示，对计算结果取均值，可得到新型钛合金的基础力学性能，如表3所示。

表2 试验数据计算结果Tab.2 Calculation results of test data

表3 新型钛合金力学性能Tab.3 Mechanical properties of new titanium alloy

2.2 门槛值试验结果

在钛合金门槛值试验完成后，选取10-7mm/cycle≤da/dN≤10-6mm/cycle 的一组数据，按照式（4）用线性回归的方法拟合lg(da/dN)～lg(ΔK)数据点，在获得最佳拟合直线截距及斜率后，取疲劳裂纹扩展速率da/dN=10-7mm/cycle，通过式（4）所计算得到的应力强度因子范围即为对应载荷比下的疲劳裂纹扩展门槛值ΔKth[10]

2.3 疲劳寿命试验结果与分析

本文开展了新型钛合金疲劳寿命试验，根据预实验结果，应力水平为屈服强度的0.5 倍时试样难以发生疲劳断裂，因此为缩短试验时间，规定试样疲劳寿命超过1×107次即符合试验要求，可停止试验。试验所得新型钛合金材料疲劳试样所对应的最大应力以及寿命如表4所示。将试验数据整理成S-N图，如图6所示。

表4 疲劳试样最大应力及寿命Tab.4 Maximum stress and life of fatigue specimens

由表4 和图6 可得，深海载人潜水器耐压壳用新型钛合金材料的室温疲劳寿命随着应力的增大而降低；在应力水平为屈服强度的0.5 倍时，试样在经历1×107循环后仍未断裂，且没有明显的疲劳裂纹。因此可以认为，该新型钛合金材料疲劳极限为502 MPa；由低到高四个不同应力水平下的疲劳寿命平均值分别是1.21× 107次、1.14 × 106次、1.10 ×105次和5.11× 104次，寿命均值跌幅分别为90.6%、90.4%和53.5%，表明该材料在应力水平较低时，其寿命随应力变化而变化的程度更大；在相同应力水平下的不同试样，其寿命均方差值为平均值的10%左右，以最大应力702 MPa为例，三组试样的平均疲劳寿命为1.10 × 105次，均方差值为1.3× 104次，其均方差值与平均寿命比值接近1∶10，数据离散性不高；在应力水平为0.8 时，该材料平均疲劳寿命只有5.11× 104次，此时接近于低周疲劳。

图6 新型钛合金室温疲劳寿命试验结果Fig.6 Experimental results of fatigue life of titanium alloy at room temperature

3 考虑小裂纹效应的钛合金疲劳寿命预报模型

考虑到疲劳寿命试验耗时较长，尤其是应力水平较低的高周疲劳试验，往往需要数天甚至数十天才能完成，不利于更加深入地研究钛合金材料的疲劳性能，对于更加密集的应力水平下的疲劳寿命评估难度也会更大。因此，为了更加全面地评估新型钛合金材料的疲劳寿命，对该新型钛合金进行寿命预报显得尤为重要。

3.1 预报模型及参数确定

2015年王珂[11]在疲劳寿命统一预报方法和Chapetti 模型基础上，对裂纹尖端弹塑性和小裂纹扩展门槛值进行修正，提出了该模型。该修正模型主要在四个方面进行了改进：（1）对小裂纹的尖端塑性区进行了弹塑性修正；（2）考虑了小裂纹门槛值会随裂纹长度变化而变化的特点，该值会由与疲劳极限相关的小裂纹扩展门槛值增加到长裂纹扩展门槛值；（3）在模型中引入与疲劳极限相关的内部裂纹尺寸，满足对小裂纹扩展行为的预报要求；（4）新模型能够对整个疲劳裂纹扩展周期进行预报。王珂[5]在论文中对该模型的疲劳寿命预报准确性进行了验证，试验结果与预报结果表明，考虑小裂纹效应的疲劳裂纹扩展预报模型能够很好地预报钛合金光滑试件的疲劳寿命。该模型可表达为

王珂[11]改进后的裂纹闭合参数k的表达式为

本文采用考虑小裂纹效应的钛合金疲劳裂纹扩展预报模型对新型钛合金材料疲劳寿命进行了预报研究，模型中的参数拟合结果如表5所示。

表5 模型参数Tab.5 Model parameters

3.2 模型预报结果

本文的预报工况与试验工况一致，均采用载荷比R=0.1,环境温度为20 ℃，利用王珂[11]的考虑小裂纹效应的疲劳裂纹扩展预报模型对钛合金疲劳寿命进行预报研究，将预报结果和试验值进行对比，结果如图7所示。

图7 钛合金疲劳寿命预报值与试验值对比Fig.7 Comparison of experimental and predicted fatigue lives for titanium alloys

从预报结果可以看出：新型钛合金材料疲劳寿命随应力水平降低而逐渐增大；在最大应力为520 MPa 时达到材料疲劳极限，当最大应力高于800 MPa 时接近于低周疲劳；在高周疲劳阶段，该修正模型对钛合金光滑试件疲劳寿命的预报结果与试验值吻合较好，相同应力水平下两者所得疲劳寿命误差不高于10%；但是在低周疲劳阶段，当最大应力接近材料的屈服应力时，试验值明显高于该修正模型的预报结果，两者误差达到了40%～50%。这可能是由于材料在试验过程中产生了应变硬化，即材料经过较大应力作用进入屈服阶段时，又增强了自身抵抗变形的能力，这时，要使材料继续变形需要增大应力，而考虑小裂纹效应的修正模型中没有考虑应变硬化。但总体来看，考虑小裂纹效应的修正模型能够很好地预报钛合金光滑试件的疲劳寿命。