李永正，孫曉鵬，崔彭飛，張 劍，王 珂，秦 闖，吳 麗

(1. 江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2. 中交上海航道裝備工業(yè)有限公司，上海 200000；3. 華潤燃?xì)猓ㄉ虾＃┯邢薰?，上?210000)

0 引 言

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

2008年，Tianwen對鋁合金材料7 075-T651高低載荷疲勞裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并在Wheeler模型的基礎(chǔ)上，提出一個(gè)用來預(yù)報(bào)材料過載遲滯效應(yīng)的修正模型。2014年，王珂等在保載-疲勞裂紋擴(kuò)展速率模型的基礎(chǔ)上，提出一個(gè)考慮保載與過載共同影響的疲勞裂紋擴(kuò)展速率預(yù)報(bào)模型。之后利用崔維成、Kalnaus等所進(jìn)行的試驗(yàn)對模型進(jìn)行驗(yàn)證，證明了該模型的可靠性[1]。經(jīng)過對過載保載-裂紋擴(kuò)展的研究可以發(fā)現(xiàn)，許多學(xué)者對鈦合金材料的疲勞壽命進(jìn)行過試驗(yàn)與預(yù)報(bào)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(huán)境的復(fù)雜性及艦船工作狀態(tài)的不確定性，開展鈦合金材料過載保載-疲勞裂紋擴(kuò)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(kuò)展速率的試驗(yàn)研究對壽命預(yù)報(bào)方法的完善有重要的科學(xué)價(jià)值，對解決其他工程應(yīng)用有重要的意義。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與開展

1.1 材料選擇

鈦合金材料Ti-6Al-4V是第一個(gè)被研制成功的實(shí)用型鈦合金，而且大量應(yīng)用于艦船的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和潛艇的耐壓殼結(jié)構(gòu)，本試驗(yàn)所用試件根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3 620.1-2007制備。

表1 Ti–6Al–4V 化學(xué)性質(zhì)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(yàn)設(shè)計(jì)

本次過載保載-疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)是在室溫環(huán)境下進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備采用100 kN電子蠕變持久疲勞試驗(yàn)平臺，試驗(yàn)機(jī)和引伸計(jì)的精度均滿足國標(biāo)GB/T6398-2000和美國標(biāo)準(zhǔn)ASTME647《Standard Test Method for Measurement of Fatigue Crack Growth Rates》的要求。本試驗(yàn)采用根據(jù)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(jì)的量程，尺寸標(biāo)準(zhǔn)如圖1所示。

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

圖1 CT試樣標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)結(jié)果分析

2.1 疲勞壽命分析

每一組試驗(yàn)做3組作為對照試驗(yàn)，保留試驗(yàn)效果最明顯的一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到裂紋長度a與循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系曲線，即為Ti-6Al-4V疲勞壽命曲線，如圖3所示。

2.2 裂紋擴(kuò)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(kuò)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(kuò)展速率有明顯的增加，之后會產(chǎn)生一定的遲滯區(qū)域，即過載遲滯效應(yīng)。隨著過載比OLR的增加，試件裂紋擴(kuò)展速率回復(fù)到常幅載荷裂紋擴(kuò)展速率的時(shí)間增加，也就是說遲滯區(qū)域會隨著過載比的增加而增加。

3 預(yù)報(bào)結(jié)果分析

3.1 預(yù)報(bào)模型選擇與修正

該公式在保載-疲勞裂紋擴(kuò)展速率預(yù)報(bào)公式的基礎(chǔ)上增加了考慮過載和保載時(shí)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(shí)間共同作用的塑性區(qū)域大小可以表示為：

通過疊代法，求出裂紋擴(kuò)展速率恢復(fù)到常幅循環(huán)載荷作用時(shí)的裂紋長度，為過載時(shí)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(kuò)展公式，得到考慮過載載荷次序效應(yīng)的疲勞裂紋擴(kuò)展速率模型。

3.2 預(yù)報(bào)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比

按照就疊代得到的公式對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)報(bào)，模型參數(shù)如表3所示，預(yù)報(bào)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)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(kuò)展速率有較好的預(yù)報(bào)結(jié)果，特別是當(dāng)過載載荷引入之后，模型預(yù)報(bào)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果能夠很好地?cái)M合，體現(xiàn)過載載荷引起的遲滯效應(yīng)。由于裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)過程中，過載載荷處保留所有數(shù)據(jù)點(diǎn)，導(dǎo)致遲滯區(qū)域曲線擬合效果不如應(yīng)力強(qiáng)度因子較小處，但能夠明顯看出隨著過載比的增加，遲滯區(qū)域逐漸增大。從總體來看，該公式能夠較好地預(yù)報(bào)過載保載共同作用下的裂紋擴(kuò)展速率。

表3 模型參數(shù)Tab. 3 Model parameter

圖6 過載比OLR=1.2保載-疲勞裂紋擴(kuò)展速率預(yù)報(bào)與試驗(yàn)對比曲線Fig. 6 OLR=1.2 dwell-fatigue crack growth rate prediction and experimental comparison curve

4 結(jié) 語

由于艦船工作環(huán)境的特殊性，在服役過程中某些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)會承受不同載荷次序的作用，從而導(dǎo)致材料的疲勞失效。為了研究載荷次序?qū)α鸭y擴(kuò)展速率的影響，本文重點(diǎn)研究了引入過載載荷的過載疲勞及過載-保載疲勞裂紋擴(kuò)展速率，設(shè)計(jì)開展了不同過載比下的一系列試驗(yàn)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。在此基礎(chǔ)上，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)報(bào)，并驗(yàn)證預(yù)報(bào)模型的準(zhǔn)確性。

1）隨著保載時(shí)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(kuò)展速率試驗(yàn)中，適當(dāng)引入過載載荷會使試件的疲勞壽命有相應(yīng)的延長；

圖7 過載比OLR=1.5保載-疲勞裂紋擴(kuò)展速率預(yù)報(bào)與試驗(yàn)對比曲線Fig. 7 OLR=1.5 dwell-fatigue crack growth rate prediction and experimental comparison curve

2）保載時(shí)間t對TC4長裂紋保載-疲勞裂紋擴(kuò)展速率具有明顯的影響，隨著應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍以及保載時(shí)間的增加，保載-疲勞裂紋擴(kuò)展速率明顯增加，且保載-疲勞裂紋擴(kuò)展速率約為疲勞裂紋擴(kuò)展速率的倍數(shù)關(guān)系；

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

4）該預(yù)報(bào)模型對過載保載-疲勞裂紋擴(kuò)展速率有較好的預(yù)報(bào)結(jié)果，特別是當(dāng)過載載荷引入之后，模型預(yù)報(bào)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果能夠很好擬合，體現(xiàn)過載載荷引起的遲滯效應(yīng)，明顯看出隨著過載比的增加，遲滯區(qū)域逐漸增大，因此，可以認(rèn)為該公式能夠較好地預(yù)報(bào)過載保載共同作用下的裂紋擴(kuò)展速率。