鈦合金室溫保載-疲勞壽命預(yù)報(bào)方法研究.pdf

1、目前，世界上很多國(guó)家都將海洋開發(fā)定位成重要戰(zhàn)略目標(biāo)，關(guān)于海洋資源的爭(zhēng)奪也越來越激烈。海洋領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)說到底就是高科技的競(jìng)爭(zhēng)，而海洋科技競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)是深海高新技術(shù)。我國(guó)政府已經(jīng)清楚認(rèn)識(shí)到海洋對(duì)我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的重要性，適時(shí)提出了中長(zhǎng)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(dòng)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(duì)深海載人潛水器耐壓殼結(jié)構(gòu)的疲勞壽命進(jìn)行計(jì)算，但實(shí)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(shí)的保載載荷。因此，耐壓殼結(jié)構(gòu)的疲勞實(shí)際上是保載-疲勞問題。大量的試驗(yàn)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(duì)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(kuò)展速率預(yù)報(bào)方法的研究是具有重要工程實(shí)際意義和理論價(jià)值。
　　本文主要目的是提出一種針對(duì)海洋結(jié)構(gòu)物保載-疲勞裂紋擴(kuò)展行為的預(yù)報(bào)方法，并應(yīng)用該方法對(duì)海洋結(jié)構(gòu)物典型材料的保載-疲勞壽命和裂紋擴(kuò)展速率進(jìn)行預(yù)報(bào)研究。基于這一目的，本文主要研究工作有如下幾個(gè)方面：
　?。?）對(duì)國(guó)內(nèi)外海洋結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的研究方法、疲勞小裂紋的研究和保載-疲勞壽命預(yù)報(bào)方法等相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了綜述。
　?。?）系統(tǒng)總結(jié)了疲勞小裂紋效應(yīng)的概念、特點(diǎn)和

4、機(jī)理，分別介紹了預(yù)報(bào)小裂紋效應(yīng)的疲勞裂紋擴(kuò)展預(yù)報(bào)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(bào)統(tǒng)一方法和Chapetti模型基礎(chǔ)上，詳細(xì)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(kuò)展速率的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定應(yīng)用考慮小裂紋效應(yīng)的修正模型對(duì)預(yù)報(bào)海洋結(jié)構(gòu)物疲勞擴(kuò)展行為預(yù)報(bào)時(shí)的模型參數(shù)。在鈦合金材料疲勞小裂紋試驗(yàn)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(duì)鈦合金材料疲勞裂紋擴(kuò)展行為的預(yù)報(bào)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(duì)鈦合金材料的疲勞小裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行預(yù)報(bào)研究，從而驗(yàn)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(duì)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(kuò)展速率和壽命進(jìn)行了預(yù)報(bào)。
　?。?）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(kuò)展速率預(yù)報(bào)模型，該預(yù)報(bào)模型中的兩項(xiàng)分別為：與循環(huán)載荷相關(guān)的疲勞項(xiàng)，也就是考慮小裂紋效應(yīng)的修正模型；與時(shí)間和應(yīng)力水平相關(guān)的保載項(xiàng)。并對(duì)保載-疲勞裂紋擴(kuò)展速率預(yù)報(bào)模型中各個(gè)參數(shù)的靈敏度進(jìn)行了分析。
　　（6）應(yīng)用保載-疲勞裂紋擴(kuò)展速率預(yù)報(bào)模型對(duì)不同鈦合金材料保載-疲勞擴(kuò)展行為進(jìn)行了預(yù)報(bào)研究。結(jié)合已有三種鈦合金材料的保載-疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在確定了預(yù)報(bào)模型參數(shù)之后，對(duì)這三種鈦合金材料分別進(jìn)行了不同保載時(shí)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(kuò)展速率的預(yù)報(bào)研究，對(duì)該模型在解釋保載時(shí)間、應(yīng)力水平效應(yīng)時(shí)的適用性進(jìn)行了驗(yàn)證。
　?。?）在保載-疲勞裂紋擴(kuò)展速率預(yù)報(bào)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)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(kuò)展速率進(jìn)行了預(yù)報(bào)研究。應(yīng)用該模型對(duì)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(kuò)展速率進(jìn)行預(yù)報(bào)研究；對(duì)不同微結(jié)構(gòu)和不同保載時(shí)間下鈦合金TC4保載-疲勞裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行了預(yù)報(bào)研究；并將預(yù)報(bào)結(jié)果與相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)

8、果進(jìn)行了對(duì)比，從而驗(yàn)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(kuò)展路徑，利用三維裂紋擴(kuò)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(kuò)展行為。
　　（8）闡述了研究載荷次序效應(yīng)對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)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(bào)模型，提出了考慮單峰過載和保載共同作用下疲勞裂紋擴(kuò)展預(yù)報(bào)模型。在本文提出的考慮載荷次序效應(yīng)的疲勞裂紋擴(kuò)展速率的預(yù)報(bào)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)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(kuò)展速率行為進(jìn)行了預(yù)報(bào)研究，并將預(yù)報(bào)結(jié)果與相應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，對(duì)考慮載荷次序效應(yīng)的預(yù)報(bào)模型在預(yù)報(bào)載荷次序效應(yīng)時(shí)的適用性進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)為：
　?。?）基于疲勞壽命預(yù)報(bào)統(tǒng)一方法（UFLP），首次給出了適用于小裂紋擴(kuò)展行為的疲勞壽命預(yù)報(bào)方法；
　?。?）基于相關(guān)保載-疲勞試驗(yàn)研究，本文提出了一個(gè)能夠預(yù)報(bào)保載-疲勞的裂紋擴(kuò)展速率的新模型；
　?。?）通

10、過對(duì)載荷次序?qū)Ｑ蠼Y(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴(kuò)展速率影響的研究，提出了考慮過載和保載時(shí)間共同作用下疲勞裂紋擴(kuò)展速率預(yù)報(bào)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(duì)文獻(xiàn)中疲勞小裂紋相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍低于疲勞長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展門檻值時(shí)，疲勞小裂紋還能夠繼續(xù)擴(kuò)展，并且在相同應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍下疲勞小裂紋擴(kuò)展速率高于長(zhǎng)裂紋擴(kuò)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(duì)于疲勞小裂紋，

11、裂紋尖端塑性區(qū)域尺寸相對(duì)于小裂紋長(zhǎng)度是不可忽略；隨著裂紋尺寸的降低，控制小裂紋擴(kuò)展行為的是材料疲勞極限，而不是控制長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展的應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值，因此小裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值是隨裂紋長(zhǎng)度變化的。
　　（2）應(yīng)用考慮小裂紋效應(yīng)的修正模型對(duì)鈦合金材料光滑試件的疲勞壽命和裂紋擴(kuò)展速率進(jìn)行了預(yù)報(bào)研究，并結(jié)合鈦合金材料相應(yīng)疲勞小裂紋的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)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(duì)小裂紋擴(kuò)展行為的預(yù)報(bào)能力進(jìn)行了驗(yàn)證，顯示出了

12、該模型潛在的工程應(yīng)用價(jià)值。
　　（3）通過對(duì)保載-疲勞裂紋擴(kuò)展行為試驗(yàn)數(shù)據(jù)的研究發(fā)現(xiàn)，保載-疲勞裂紋擴(kuò)展速率要明顯高于疲勞裂紋擴(kuò)展速率。因此，對(duì)深海載人潛水器耐壓殼結(jié)構(gòu)服役期間疲勞壽命進(jìn)行預(yù)報(bào)時(shí)，如果只用疲勞循環(huán)載荷來進(jìn)行耐壓殼結(jié)構(gòu)壽命預(yù)報(bào)是偏危險(xiǎn)的，因?yàn)闈撍髂蛪簹そY(jié)構(gòu)在實(shí)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(bào)實(shí)際是保載-疲勞壽命問題。因此，本文提出了保載-疲勞裂紋擴(kuò)展速率預(yù)報(bào)模型。

13、
　　（4）應(yīng)用保載-疲勞裂紋擴(kuò)展速率預(yù)報(bào)模型對(duì)幾種鈦合金材料的保載-疲勞裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行預(yù)報(bào)時(shí)，通過與相應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)：考慮保載時(shí)各個(gè)材料的保載-疲勞裂紋擴(kuò)展速率要高于純疲勞裂紋擴(kuò)展速率；隨著保載時(shí)間的增加，保載-疲勞裂紋擴(kuò)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(duì)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(shí)，保載時(shí)間對(duì)保載-疲勞壽命的影響很小，當(dāng)循環(huán)應(yīng)力峰值較高時(shí)，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(kuò)展速率預(yù)報(bào)模型，這幾種鈦合金材料保載-疲勞裂紋擴(kuò)展行為的預(yù)報(bào)結(jié)果與相應(yīng)試驗(yàn)值均吻合較好，從而證明該預(yù)報(bào)模型具有潛在工程應(yīng)用價(jià)值。
　?。?）基于保載-疲勞裂紋擴(kuò)展速率預(yù)報(bào)模型，對(duì)潛水器耐壓殼用鈦合金TC4和Ti80在不同載荷比和保載時(shí)間下疲勞、保載疲勞的壽命和裂紋擴(kuò)展速率進(jìn)行了預(yù)報(bào)研究。預(yù)報(bào)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)：該模型對(duì)這兩種鈦合金材料疲勞和保載-疲勞裂紋擴(kuò)展行為具有較好的預(yù)報(bào)能力，因此，說明該模型