应力状态对深海结构用Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo钛合金疲劳裂纹萌生与疲劳性能的影响

芮少石¹，刘家钧¹，张亚军²，陈沛²，孙成奇¹

(¹中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室，北京100190)

(²洛阳船舶材料研究所海洋腐蚀与防护全国重点实验室，洛阳471023)

Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo钛合金是深海耐压壳体的潜在材料，其服役过程中会承受拉-剪、压-剪等多轴疲劳载荷作用。但目前关于此类深海结构用钛合金的多轴疲劳研究尚未见报道。本文对传统的Arcan装置进行了改进，设计了一种特殊的光滑“沙漏形拉/压-剪”试样(图1)，并用于Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo钛合金在拉伸、拉-剪、纯剪和压-剪等应力状态下的疲劳测试。

结果表明，拉伸和拉-剪应力状态下，从疲劳断口可以清楚看到裂纹萌生与扩展区域，但在纯剪和压-剪应力状态下却未呈现裂纹萌生与扩展特征(图2a和2b)。进一步分析发现，实际裂纹平面并不总是符合基于“临界平面法”的现有模型。特别地，本文选择实际的起裂平面作为“临界平面”，并通过引入一个依赖临界平面上剪应力范围和最大法向应力乘积的系数，提出了一种新的钛合金多轴疲劳寿命预测模型，该模型可以很好地关联拉伸、拉-剪、纯剪和压-剪等应力状态下钛合金的疲劳试验数据(图2c和2d)。

图1 (a)和(b) 拉-剪试样及夹具示意图和实图; (c)和(d) 压-剪试样及夹具示意图和实图.

图2 (a) 拉伸、拉-剪下疲劳机理示意图; (b) 纯剪、压-剪下疲劳机理示意图; (c) 拉-剪(β = 60°)、纯剪(β = 90°)和压-剪(β = 60°)下新模型g-N数据; (d) 拉-剪(β = 0°/30°)下预测结果与试验结果对比.

本文的研究结果对于理解钛合金多轴疲劳裂纹萌生机制及建立有效的多轴疲劳寿命预测模型具有重要意义。

Eng. Fract. Mech., 2025, 330: 111651. 

通讯作者: zhangyajun@725.com.cn (Y. Zhang), scq@lnm.imech.ac.cn (C. Sun)