深海中蘊(yùn)藏著生物和礦產(chǎn)資源，深海潛水器是深海科學(xué)研究和資源開發(fā)的主要運(yùn)載工具，“耐壓艙”是其核心部件，是人類進(jìn)入深海的安全屏障。潛水器的每一次作業(yè)，耐壓艙都承受一次不斷變化的海水壓力（升載-保載-卸載）作用，這種載荷譜下的疲勞稱為保載疲勞（Dwell fatigue）。新型高強(qiáng)韌鈦合金是耐壓艙的首選材料，研究其保載疲勞特性對于深海潛水器的設(shè)計(jì)和可靠性評估具有重要意義。

研究發(fā)現(xiàn)，耐壓艙鈦合金的三種保載疲勞失效模式，即疲勞失效、延性失效及疲勞與延性混合失效。保載與疲勞載荷的相互作用加速了試樣的失效，并導(dǎo)致不同失效模式之間的競爭。研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)保載疲勞壽命與第一周次累積最大應(yīng)變有關(guān)，二者在雙對數(shù)坐標(biāo)下呈近似線性關(guān)系，間歇加載時(shí)間對鈦合金的保載疲勞行為沒有影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析揭示了鈦合金的保載疲勞機(jī)理，即保載產(chǎn)生的塑性變形增大了試樣的實(shí)際應(yīng)力，這促進(jìn)了已形成裂紋或損傷的擴(kuò)展，同時(shí)，疲勞載荷部分導(dǎo)致的局部塑性應(yīng)變增大了保載疲勞塑性應(yīng)變的累積。

該研究由中國科學(xué)院力學(xué)研究所LNM微結(jié)構(gòu)計(jì)算力學(xué)課題組與中國船舶重工集團(tuán)公司第七〇二研究所等單位合作完成，得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“深海裝備耐壓結(jié)構(gòu)體、材料耐壓特性及評估技術(shù)研究”的支持。相關(guān)研究成果發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology上，力學(xué)所孫成奇為論文的第一作者和通訊作者。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.10.063

圖1.（a）“奮斗者號”潛水器；（b）耐壓艙；（c）常規(guī)疲勞波形；（d）保載疲勞波形

圖2.保載疲勞3種失效模式。A-1~A-4：疲勞失效；B-1~B-4：延性失效；C-1~C-4：混合失效

圖3.（a）保載疲勞壽命與間歇加載時(shí)間關(guān)系；（b）保載疲勞壽命與第一周次累積最大應(yīng)變關(guān)系