艦船關鍵節點鈦合金過載保載-疲勞性能研究

李永正，孫曉鵬，崔彭飛，張 劍，王 珂，秦 闖，吳 麗

(1. 江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003；2. 中交上海航道裝備工業有限公司，上海 200000；3. 華潤燃氣（上海）有限公司，上海 210000)

0 引 言

從1829年起人們就開始對金屬疲勞機理進行探索，之后很多學者對橫幅載荷中加入多個過載波形進行研究。McEvily，Kalnaus，Makabe等對不同種類材料進行了單峰過載試驗。試驗結果表明，在橫幅載荷中加入一個或多個過載波形之后，疲勞裂紋擴展速率會相應的降低，試件的疲勞壽命會增加。隨后一些學者對塊狀形式的載荷波形進行研究，根據研究結果得到了不同載荷形式下過載對疲勞裂紋擴展速率的影響規律，并提出單峰過載情況下的疲勞裂紋擴展速率預報模型[1]。

2008年，Tianwen對鋁合金材料7 075-T651高低載荷疲勞裂紋擴展行為進行了試驗研究，并在Wheeler模型的基礎上，提出一個用來預報材料過載遲滯效應的修正模型。2014年，王珂等在保載-疲勞裂紋擴展速率模型的基礎上，提出一個考慮保載與過載共同影響的疲勞裂紋擴展速率預報模型。之后利用崔維成、Kalnaus等所進行的試驗對模型進行驗證，證明了該模型的可靠性[1]。經過對過載保載-裂紋擴展的研究可以發現，許多學者對鈦合金材料的疲勞壽命進行過試驗與預報方法的研究，但主要集中在單峰過載疲勞與多峰過載疲勞，對考慮過載與保載共同影響的研究較少，考慮到海洋環境的復雜性及艦船工作狀態的不確定性，開展鈦合金材料過載保載-疲勞裂紋擴展速率的研究很有必要。因此，開展鈦合金材料過載保載-疲勞裂紋擴展速率的試驗研究對壽命預報方法的完善有重要的科學價值，對解決其他工程應用有重要的意義。

1 試驗設計與開展

1.1 材料選擇

鈦合金材料Ti-6Al-4V是第一個被研制成功的實用型鈦合金，而且大量應用于艦船的關鍵節點和潛艇的耐壓殼結構，本試驗所用試件根據國家標準GB/T 3 620.1-2007制備。

表1 Ti–6Al–4V 化學性質Tab. 1 Chemical composition of Ti-6Al-4V（wt%）.

表2 Ti–6Al–4V 材料性能Tab. 2 Mechanical properties of Ti-6Al-4V

1.2 試驗設計

本次過載保載-疲勞裂紋擴展速率試驗是在室溫環境下進行，試驗設備采用100 kN電子蠕變持久疲勞試驗平臺，試驗機和引伸計的精度均滿足國標GB/T6398-2000和美國標準ASTME647《Standard Test Method for Measurement of Fatigue Crack Growth Rates》的要求。本試驗采用根據GB/T 6 398-2000加工制備的CT試樣，且在CT試樣頂部開夾持槽以滿足不同引伸計的量程，尺寸標準如圖1所示。

本文進行的是彈性范圍內的過載保載-疲勞裂紋擴展速率試驗，最大載荷為8 kN，過載比OLR=1.2，1.5，載荷比R=0.03，保載時間為30 s，過載-疲勞裂紋擴展速率可視作保載時間為0的過載保載-裂紋擴展速率試驗，試驗載荷譜如圖2所示。當試樣在應力循環次之后，裂紋擴展量為則應力每循環一次，裂紋長度的擴展量就稱為疲勞裂紋擴展速率，在極限條件下用微分示。

圖1 CT試樣標準尺寸（mm）Fig. 1 Schematic showing the size of samples of CT（mm）.

圖2 載荷譜Fig. 2 Schematic representation of dwell fatigue load

2 試驗結果分析

2.1 疲勞壽命分析

每一組試驗做3組作為對照試驗，保留試驗效果最明顯的一組試驗數據，同時對試驗結果進行分析，得到裂紋長度a與循環次數N的關系曲線，即為Ti-6Al-4V疲勞壽命曲線，如圖3所示。

2.2 裂紋擴展速率分析

圖3 a-N曲線Fig. 3 a-Ncurves

圖5 過載比OLR=1.5保載-疲勞裂紋擴展速率曲線Fig. 5 OLR=1.5 dwell-fatigue crack growth rate curve

過載載荷的引入，會使試件的裂紋擴展速率有明顯的增加，之后會產生一定的遲滯區域，即過載遲滯效應。隨著過載比OLR的增加，試件裂紋擴展速率回復到常幅載荷裂紋擴展速率的時間增加，也就是說遲滯區域會隨著過載比的增加而增加。

3 預報結果分析

3.1 預報模型選擇與修正

該公式在保載-疲勞裂紋擴展速率預報公式的基礎上增加了考慮過載和保載時間的在載荷次序影響因子，公式如下：

式中，考慮過載載荷作用與過載保載時間共同作用的塑性區域大小可以表示為：

通過疊代法，求出裂紋擴展速率恢復到常幅循環載荷作用時的裂紋長度，為過載時裂紋長度，可以表示為：

通過以上公式的疊代，可以得到考慮過載載荷的載荷次序因子公式，將載荷次序因子代入保載-疲勞裂紋擴展公式，得到考慮過載載荷次序效應的疲勞裂紋擴展速率模型。

3.2 預報結果與試驗結果對比

按照就疊代得到的公式對試驗結果進行預報，模型參數如表3所示，預報結果與試驗結果對比如圖6和圖7所示。

由圖6和圖7可以看出，該模型對單峰過載保載-疲勞裂紋擴展速率有較好的預報結果，特別是當過載載荷引入之后，模型預報結果與試驗結果能夠很好地擬合，體現過載載荷引起的遲滯效應。由于裂紋擴展速率試驗過程中，過載載荷處保留所有數據點，導致遲滯區域曲線擬合效果不如應力強度因子較小處，但能夠明顯看出隨著過載比的增加，遲滯區域逐漸增大。從總體來看，該公式能夠較好地預報過載保載共同作用下的裂紋擴展速率。

表3 模型參數Tab. 3 Model parameter

圖6 過載比OLR=1.2保載-疲勞裂紋擴展速率預報與試驗對比曲線Fig. 6 OLR=1.2 dwell-fatigue crack growth rate prediction and experimental comparison curve

4 結 語

由于艦船工作環境的特殊性，在服役過程中某些關鍵節點會承受不同載荷次序的作用，從而導致材料的疲勞失效。為了研究載荷次序對裂紋擴展速率的影響，本文重點研究了引入過載載荷的過載疲勞及過載-保載疲勞裂紋擴展速率，設計開展了不同過載比下的一系列試驗并進行數據分析。在此基礎上，對試驗結果進行預報，并驗證預報模型的準確性。

1）隨著保載時間的增加，過載保載-疲勞壽命逐漸降低，并且隨著過載比OLR的增加，試件的壽命也有一定程度的增加。也就是說，在過載保載-疲勞裂紋擴展速率試驗中，適當引入過載載荷會使試件的疲勞壽命有相應的延長；

圖7 過載比OLR=1.5保載-疲勞裂紋擴展速率預報與試驗對比曲線Fig. 7 OLR=1.5 dwell-fatigue crack growth rate prediction and experimental comparison curve

2）保載時間t對TC4長裂紋保載-疲勞裂紋擴展速率具有明顯的影響，隨著應力強度因子范圍以及保載時間的增加，保載-疲勞裂紋擴展速率明顯增加，且保載-疲勞裂紋擴展速率約為疲勞裂紋擴展速率的倍數關系；

3）過載載荷的引入，會使試件的裂紋擴展速率有明顯的增加，之后會產生一定的遲滯區域，即過載遲滯效應。隨著過載比OLR的增加，試件裂紋擴展速率回復到常幅載荷裂紋擴展速率的時間增加，也就是說遲滯區域會隨著過載比的增加而增加；

4）該預報模型對過載保載-疲勞裂紋擴展速率有較好的預報結果，特別是當過載載荷引入之后，模型預報結果與試驗結果能夠很好擬合，體現過載載荷引起的遲滯效應，明顯看出隨著過載比的增加，遲滯區域逐漸增大，因此，可以認為該公式能夠較好地預報過載保載共同作用下的裂紋擴展速率。