鈦合金室溫保載-疲勞壽命預(yù)報方法研究.pdf

1、目前，世界上很多國家都將海洋開發(fā)定位成重要戰(zhàn)略目標，關(guān)于海洋資源的爭奪也越來越激烈。海洋領(lǐng)域的競爭說到底就是高科技的競爭，而海洋科技競爭的焦點是深海高新技術(shù)。我國政府已經(jīng)清楚認識到海洋對我國可持續(xù)發(fā)展的重要性，適時提出了中長期海洋發(fā)展規(guī)劃。而深海載人潛水器作為海洋科學(xué)考察的重要工具，在深海地質(zhì)研究、資源調(diào)查、海洋生物基因研究等方面擁有不可替代的作用。海洋環(huán)境具有較大的復(fù)雜性和多變性，海洋結(jié)構(gòu)物在服役期間承受著周期性的波動載荷作用，疲勞破

2、壞成為海洋結(jié)構(gòu)服役期間主要破壞模式之一。目前，采用疲勞循環(huán)載荷對深海載人潛水器耐壓殼結(jié)構(gòu)的疲勞壽命進行計算，但實際工作過程中潛水器耐壓殼結(jié)構(gòu)承受下潛和上升的循環(huán)載荷之外，她還承受著下潛到工作深度時的保載載荷。因此，耐壓殼結(jié)構(gòu)的疲勞實際上是保載-疲勞問題。大量的試驗都證明保載-疲勞下結(jié)構(gòu)壽命要明顯低于疲勞條件下的壽命。另外，從理論上來說，目前潛水器規(guī)范中對于耐壓殼結(jié)構(gòu)的疲勞均假定為低周疲勞，還沒有考慮保載的影響。因此，開展海洋結(jié)構(gòu)物保載-

3、疲勞裂紋擴展速率預(yù)報方法的研究是具有重要工程實際意義和理論價值。
　　本文主要目的是提出一種針對海洋結(jié)構(gòu)物保載-疲勞裂紋擴展行為的預(yù)報方法，并應(yīng)用該方法對海洋結(jié)構(gòu)物典型材料的保載-疲勞壽命和裂紋擴展速率進行預(yù)報研究?；谶@一目的，本文主要研究工作有如下幾個方面：
　?。?）對國內(nèi)外海洋結(jié)構(gòu)疲勞強度的研究方法、疲勞小裂紋的研究和保載-疲勞壽命預(yù)報方法等相關(guān)領(lǐng)域進行了綜述。
　?。?）系統(tǒng)總結(jié)了疲勞小裂紋效應(yīng)的概念、特點和

4、機理，分別介紹了預(yù)報小裂紋效應(yīng)的疲勞裂紋擴展預(yù)報模型，并提出了考慮小裂紋效應(yīng)的修正模型。在疲勞壽命預(yù)報統(tǒng)一方法和Chapetti模型基礎(chǔ)上，詳細闡述了本文提出的考慮小裂紋效應(yīng)的修正模型。
　?。?）基于現(xiàn)有鈦合金材料的疲勞小裂紋壽命和裂紋擴展速率的試驗數(shù)據(jù)，確定應(yīng)用考慮小裂紋效應(yīng)的修正模型對預(yù)報海洋結(jié)構(gòu)物疲勞擴展行為預(yù)報時的模型參數(shù)。在鈦合金材料疲勞小裂紋試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過非線性最小平方擬合的方法得到了鈦合金材料的考慮小裂紋效

5、應(yīng)修正模型中的參數(shù)，為后續(xù)該模型對鈦合金材料疲勞裂紋擴展行為的預(yù)報研究提供了參數(shù)依據(jù)。
　?。?）應(yīng)用考慮小裂紋效應(yīng)的修正模型對鈦合金材料的疲勞小裂紋擴展行為進行預(yù)報研究，從而驗證該模型的可靠性?；谇懊娲_定參數(shù)的考慮小裂紋效應(yīng)修正模型，對鈦合金材料在不同載荷比、不同應(yīng)力水平和不同微結(jié)構(gòu)下疲勞小裂紋擴展速率和壽命進行了預(yù)報。
　　（5）根據(jù)潛水器耐壓殼結(jié)構(gòu)在服役期間承受周期性循環(huán)和載荷峰值保載的共同作用，本文提出了保載-疲勞

6、裂紋擴展速率預(yù)報模型，該預(yù)報模型中的兩項分別為：與循環(huán)載荷相關(guān)的疲勞項，也就是考慮小裂紋效應(yīng)的修正模型；與時間和應(yīng)力水平相關(guān)的保載項。并對保載-疲勞裂紋擴展速率預(yù)報模型中各個參數(shù)的靈敏度進行了分析。
　?。?）應(yīng)用保載-疲勞裂紋擴展速率預(yù)報模型對不同鈦合金材料保載-疲勞擴展行為進行了預(yù)報研究。結(jié)合已有三種鈦合金材料的保載-疲勞試驗數(shù)據(jù)，在確定了預(yù)報模型參數(shù)之后，對這三種鈦合金材料分別進行了不同保載時間、不同微結(jié)構(gòu)、不同含氫量下保載

7、-疲勞壽命和裂紋擴展速率的預(yù)報研究，對該模型在解釋保載時間、應(yīng)力水平效應(yīng)時的適用性進行了驗證。
　?。?）在保載-疲勞裂紋擴展速率預(yù)報模型的基礎(chǔ)上，對海洋結(jié)構(gòu)物用鈦合金TC4和Ti80的疲勞和保載-疲勞壽命和裂紋擴展速率進行了預(yù)報研究。應(yīng)用該模型對鈦合金材料光滑試件的疲勞、保載-疲勞壽命和CT試件的疲勞裂紋擴展速率進行預(yù)報研究；對不同微結(jié)構(gòu)和不同保載時間下鈦合金TC4保載-疲勞裂紋擴展行為進行了預(yù)報研究；并將預(yù)報結(jié)果與相應(yīng)的試驗結(jié)

8、果進行了對比，從而驗證了該模型可靠性；為了直觀觀察到裂紋前緣的形狀、應(yīng)力分布和擴展路徑，利用三維裂紋擴展分析軟件ZenCrack數(shù)值模擬了潛水器用鈦合金材料的裂紋擴展行為。
　　（8）闡述了研究載荷次序效應(yīng)對疲勞裂紋擴展速率影響的意義，基于載荷次序效應(yīng)產(chǎn)生影響的原因和相關(guān)預(yù)報模型，提出了考慮單峰過載和保載共同作用下疲勞裂紋擴展預(yù)報模型。在本文提出的考慮載荷次序效應(yīng)的疲勞裂紋擴展速率的預(yù)報模型的基礎(chǔ)上，對幾種材料在單峰過載、多峰過載

9、、單峰低載、保載、過載與保載共同作用下疲勞裂紋擴展速率行為進行了預(yù)報研究，并將預(yù)報結(jié)果與相應(yīng)試驗結(jié)果進行了比較，對考慮載荷次序效應(yīng)的預(yù)報模型在預(yù)報載荷次序效應(yīng)時的適用性進行了驗證。
　　本文的主要創(chuàng)新點為：
　?。?）基于疲勞壽命預(yù)報統(tǒng)一方法（UFLP），首次給出了適用于小裂紋擴展行為的疲勞壽命預(yù)報方法；
　?。?）基于相關(guān)保載-疲勞試驗研究，本文提出了一個能夠預(yù)報保載-疲勞的裂紋擴展速率的新模型；
　　（3）通

10、過對載荷次序?qū)Ｑ蠼Y(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴展速率影響的研究，提出了考慮過載和保載時間共同作用下疲勞裂紋擴展速率預(yù)報的新模型。
　　通過本論文的研究，得到主要結(jié)論如下：
　　（1）通過對文獻中疲勞小裂紋相關(guān)試驗數(shù)據(jù)的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)應(yīng)力強度因子范圍低于疲勞長裂紋擴展門檻值時，疲勞小裂紋還能夠繼續(xù)擴展，并且在相同應(yīng)力強度因子范圍下疲勞小裂紋擴展速率高于長裂紋擴展速率。因此，本文提出了考慮小裂紋效應(yīng)的修正模型，在該模型中考慮到：對于疲勞小裂紋，

11、裂紋尖端塑性區(qū)域尺寸相對于小裂紋長度是不可忽略；隨著裂紋尺寸的降低，控制小裂紋擴展行為的是材料疲勞極限，而不是控制長裂紋擴展的應(yīng)力強度因子門檻值，因此小裂紋的應(yīng)力強度因子門檻值是隨裂紋長度變化的。
　?。?）應(yīng)用考慮小裂紋效應(yīng)的修正模型對鈦合金材料光滑試件的疲勞壽命和裂紋擴展速率進行了預(yù)報研究，并結(jié)合鈦合金材料相應(yīng)疲勞小裂紋的試驗數(shù)據(jù)對不同微結(jié)構(gòu)、不同載荷比R、不同循環(huán)應(yīng)力水平下該模型對小裂紋擴展行為的預(yù)報能力進行了驗證，顯示出了

12、該模型潛在的工程應(yīng)用價值。
　?。?）通過對保載-疲勞裂紋擴展行為試驗數(shù)據(jù)的研究發(fā)現(xiàn)，保載-疲勞裂紋擴展速率要明顯高于疲勞裂紋擴展速率。因此，對深海載人潛水器耐壓殼結(jié)構(gòu)服役期間疲勞壽命進行預(yù)報時，如果只用疲勞循環(huán)載荷來進行耐壓殼結(jié)構(gòu)壽命預(yù)報是偏危險的，因為潛水器耐壓殼結(jié)構(gòu)在實際工作中除了承受疲勞循環(huán)載荷之外，還承受在工作水深下的保載作用，即耐壓殼結(jié)構(gòu)壽命預(yù)報實際是保載-疲勞壽命問題。因此，本文提出了保載-疲勞裂紋擴展速率預(yù)報模型。

13、
　?。?）應(yīng)用保載-疲勞裂紋擴展速率預(yù)報模型對幾種鈦合金材料的保載-疲勞裂紋擴展行為進行預(yù)報時，通過與相應(yīng)試驗數(shù)據(jù)進行比較發(fā)現(xiàn)：考慮保載時各個材料的保載-疲勞裂紋擴展速率要高于純疲勞裂紋擴展速率；隨著保載時間的增加，保載-疲勞裂紋擴展速率增加，即試件壽命降低；保載-疲勞循環(huán)載荷中的應(yīng)力峰值對試件壽命具有較大的影響，當(dāng)循環(huán)應(yīng)力峰值低于某一值時，保載時間對保載-疲勞壽命的影響很小，當(dāng)循環(huán)應(yīng)力峰值較高時，保載-疲勞壽命曲線明顯低于疲勞

14、壽命曲線；基于保載-疲勞裂紋擴展速率預(yù)報模型，這幾種鈦合金材料保載-疲勞裂紋擴展行為的預(yù)報結(jié)果與相應(yīng)試驗值均吻合較好，從而證明該預(yù)報模型具有潛在工程應(yīng)用價值。
　　（5）基于保載-疲勞裂紋擴展速率預(yù)報模型，對潛水器耐壓殼用鈦合金TC4和Ti80在不同載荷比和保載時間下疲勞、保載疲勞的壽命和裂紋擴展速率進行了預(yù)報研究。預(yù)報結(jié)果與試驗結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)：該模型對這兩種鈦合金材料疲勞和保載-疲勞裂紋擴展行為具有較好的預(yù)報能力，因此，說明該模型