摘 要 深海潛水器耐壓殼材料的服役可靠性直接關(guān)乎深潛器的作業(yè)安全，鈦合金因其優(yōu)異的深海環(huán)境服役性能成為制造深潛器耐壓殼的關(guān)鍵材料。本文從深潛器用鈦合金的種類出發(fā)，詳細(xì)介紹了鈦合金室溫蠕變、低周疲勞及保載疲勞等主要失效形式的最新研究進(jìn)展，歸納了鈦合金保載疲勞的主要影響因素、微觀損傷機(jī)制及壽命預(yù)測模型，以期為新型高強(qiáng)低保載效應(yīng)的高性能鈦合金研發(fā)提供參考。最后，提出了目前深潛器用鈦合金構(gòu)件服役可靠性評(píng)價(jià)亟待解決的若干問題和可能的研究方向。

關(guān)鍵詞 深潛器，鈦合金，保載疲勞，服役可靠性

海洋中蘊(yùn)藏著豐富的自然資源，維護(hù)海洋權(quán)益、開發(fā)海洋資源受到越來越多瀕海國家的重視。深海潛水器是進(jìn)行水下作業(yè)的重要裝備，經(jīng)過多年的發(fā)展，載人深潛器的最大下潛深度已突破 10000 m。服役過程中隨著下潛深度的增加，深潛器所承受的海水壓力隨之增大；此外，隨著深潛器載人數(shù)量的增多，需要在保證材料承載能力的同時(shí)對(duì)深潛器耐壓殼體進(jìn)行減重處理，這就要求服役的材料具有高的比強(qiáng)度；同時(shí)，為了抵抗海浪的沖擊，還要求材料具有與強(qiáng)度匹配的塑韌性，特別是深潛器在服役過程中通常經(jīng)歷“下潛-水下作業(yè)-上浮”3 個(gè)階段，對(duì)應(yīng)“加載-保載-卸載”3 個(gè)承載過程，其中“保載”過程是指構(gòu)件在峰值應(yīng)力作用下保持一定時(shí)間的一種承載條件。在水下長期作業(yè)過程中，耐壓殼體需要多次重復(fù)上述作業(yè)過程，因此，要求服役材料具有高的抵抗蠕變變形和保載疲勞損傷的能力，以及在海洋環(huán)境下服役的抗應(yīng)力腐蝕能力；同時(shí)，良好的焊接性能是耐壓殼材料經(jīng)沖壓/鑄造成型的半球瓜瓣?duì)顨んw可焊性的必要保障。

鈦合金由于具有高的比強(qiáng)度、良好的綜合力學(xué)性能、無磁性和耐腐蝕等一系列優(yōu)點(diǎn)，已成為深潛器的重要構(gòu)件用材料，特別是用作耐壓球殼材料。目前，4500 m 及以上的載人艙球殼材料幾乎全部采用鈦合金。值得一提的是，20 世紀(jì) 60 年代，前蘇聯(lián)曾采用鈦合金制造了全球唯一的全鈦合金核潛艇，成為人類歷史上的工業(yè)瑰寶，然而，深潛器用鈦合金構(gòu)件的安全服役性能更受矚目。 

本文從深潛器用鈦合金的種類、主要服役性能及保載疲勞微觀機(jī)制等方面對(duì)其研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜合評(píng)述；提出了目前相關(guān)研究存在的問題與未來發(fā)展方向，旨在為深潛器耐壓球殼的選材和新材料的研發(fā)以及耐壓球殼的服役可靠性評(píng)價(jià)提供參考。

1 鈦合金的典型組織結(jié)構(gòu)

Ti 具有 2 種同素異構(gòu)體，分別為具有 hcp 結(jié)構(gòu)的 α 相和 bcc 結(jié)構(gòu)的 β 相。當(dāng)溫度超過其同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，α-Ti 轉(zhuǎn)變?yōu)?β-Ti，純 Ti 的 β 轉(zhuǎn)變溫度約為 882℃，合金元素會(huì)影響合金相變點(diǎn)和退火后的相組成。根據(jù)鈦合金的相組成，可將其分為 α 型、α＋β 型及 β 型鈦合金 3 大類，若再細(xì)分還包括近 α 型與近 β 型。α 型和近 α 型鈦合金具有良好的焊接性、塑性以及熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于高溫環(huán)境及海洋環(huán)境中；近 β 型和 β 型鈦合金中含有較多的 Mo、Cr、V 等 β 相穩(wěn)定元素，可通過熱處理調(diào)控使其獲得較高的強(qiáng)度；α+β 型鈦合金同時(shí)含有 α 和 β 相穩(wěn)定元素，具有較好的綜合力學(xué)性能，其強(qiáng)度一般高于 α 型鈦合金，在諸多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

α 相在鈦合金中有 2 種形態(tài)，即板條 α 相和等軸 α 相，根據(jù)合金中 α 相的形態(tài)和分布可將鈦合金的顯微組織分為等軸(equiaxed)組織、雙態(tài)(bimodal)組織、網(wǎng)籃(basketweave)組織及片層(lamellar)組織 4 類。在等軸組織中，α 相基本以等軸狀的晶粒存在，隨著 β 基體中次生 α 相含量的增加，等軸組織轉(zhuǎn)變?yōu)殡p態(tài)組織，一般可通過在兩相區(qū)上部溫度進(jìn)行熱處理獲得；網(wǎng)籃組織不含有初生 α相，其特點(diǎn)是次生 α相及 β片層相互編織成網(wǎng)籃狀，其β晶粒變得非常粗大；片層組織的β晶粒內(nèi)存在大量取向一致的片狀α集束，其性能對(duì)片層厚度很敏感。此外，鈦合金的組織還包括強(qiáng)度高但塑性差的魏氏(Widmannstatten)組織、馬氏體組織及具有良好熱穩(wěn)定性的三態(tài)(tri-modal)組織等，而具有雙態(tài)組織的鈦合金具有良好的綜合力學(xué)性能，通常將其作為合金的最終服役組織。 

2 深潛器用鈦合金種類

作為深潛器關(guān)鍵件的耐壓殼，由于服役時(shí)需要承受巨大的海水壓力，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選材對(duì)于深潛器的設(shè)計(jì)起決定作用。當(dāng)前，萬米級(jí)大深度載人潛水器已是深潛器發(fā)展的主流，因此，對(duì)深潛器耐壓殼材料的服役可靠性提出了越來越高的要求，此類耐壓殼目前主要采用高強(qiáng)度鋼與鈦合金 2 種材料制造，表 1 列出了目前國內(nèi)、外主要載人深潛器用材料的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，其中高強(qiáng)鋼的強(qiáng)度高、價(jià)格適中，但是其密度較大，不利于深潛器在深度下潛時(shí)對(duì)重力及浮力的控制，其應(yīng)用受到了一定的限制，目前普遍采用鈦合金進(jìn)行制造。

表 1 國內(nèi)外主要載人深潛器用材料的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)

可見，目前主流的載人深潛器耐壓殼材料主要集中在 TC4、TC4 ELI、Ti80 及 Ti62A 4 種，Ti6211 (Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo)合金雖然在著名的 Alvin 深潛器上成功應(yīng)用，但由于該合金焊接時(shí)常出現(xiàn)開裂問題而被逐漸棄用。TC4、TC4 ELI、Ti80 及 Ti62A 4 種典型鈦合金的基本力學(xué)性能指標(biāo)列于表 2?？傮w來看，前 3 種材料的力學(xué)性能相差不大，室溫拉伸強(qiáng)度均可達(dá) 900 MPa 左右，而 Ti62A 強(qiáng)度最高，屈服強(qiáng)度可達(dá) 1200 MPa。Ti62A 是近年來中國科學(xué)院金屬研究所楊銳團(tuán)隊(duì)為我國“奮斗號(hào)”全海深載人潛水器用載人艙研制的一種更高性能的 α+β 鈦合金材料，屬于 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si-X 系合金。在韌性和可焊性與 TC4合金相當(dāng)?shù)那疤嵯拢琓i62A合金的強(qiáng)度得到了大幅的提升，從而成功地解決了載人艙球殼水下萬米承載的材料難題，可在滿足下潛深度時(shí)盡可能減小壁厚，目前關(guān)于該合金服役可靠性的報(bào)道相對(duì)較少，仍需開展相關(guān)研究工作。TC4 合金強(qiáng)度次于 Ti62A，是目前應(yīng)用最廣泛的一種鈦合金，其名義成分為 Ti-6Al-4V，是典型的 α＋β 型鈦合金，因其具有良好的強(qiáng)韌性匹配、較好的熱穩(wěn)定性等優(yōu)良的綜合性能而被廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，在深潛器的制造方面也得到了重要應(yīng)用。此外，為了進(jìn)一步提高鈦合金的斷裂韌性和疲勞裂紋擴(kuò)展抗力等損傷容限性能，通過降低間隙元素 C、N和 O 及雜質(zhì)元素含量，在 TC4 鈦合金的基礎(chǔ)上改進(jìn)得到了 TC4 ELI (extra-low-interstitial)超低間隙鈦合金， 雖然其強(qiáng)度略有下降，但因其具有良好的耐沖擊、耐腐蝕性及焊接性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、海洋環(huán)境以及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，已逐步取代 TC4 合金，成為目前制造深潛器耐壓殼的關(guān)鍵材料。

 Ti80 合金(國標(biāo)牌號(hào) TA31，名義成分為 Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo)是我國于 20 世紀(jì) 80 年代自主研制的一種近 α 型鈦合金，其主要合金元素 Al 是 α 相穩(wěn)定元素，也是最主要的固溶強(qiáng)化元素，可擴(kuò)大 α 相區(qū)， 并提高合金的焊接性能；其中的 Mo 與 Nb 元素具有 β 相穩(wěn)定化作用，也可溶于 α 相起到固溶強(qiáng)化作用；中性元素 Zr 也可對(duì)合金起到強(qiáng)化的作用，提高合金沖壓性能與焊接性能。與 α + β 型的 TC4 及 TC4 ELI 合金相比，Ti80 合金強(qiáng)度稍低，但具有更好的焊接性能及塑韌性，綜合性能優(yōu)于 TC4 合金，非常適合在海洋環(huán)境中使用，主要用于我國船舶結(jié)構(gòu)件、深潛器耐壓殼體及高壓容器的制造，同時(shí)在化工行業(yè)也有廣闊的應(yīng)用前景。

表2 TC4、TC4 ELI、Ti80 及 Ti62A 鈦合金的基本力學(xué)性能指標(biāo)

3 深潛器耐壓殼用鈦合金服役性能研究現(xiàn)狀

根據(jù)深潛器耐壓殼用鈦合金服役特點(diǎn)，目前國內(nèi)外學(xué)者主要從室溫蠕變、低周疲勞及保載疲勞 3 個(gè)方面對(duì)深潛器耐壓殼用鈦合金的服役可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)。 

3.1 室溫蠕變性能 

鈦合金的一個(gè)特點(diǎn)是室溫下(< 0.25Tm，Tm 為熔點(diǎn))容易發(fā)生蠕變變形，與高溫蠕變相比，鈦合金的室溫蠕變速率較慢，其蠕變過程一般分為初始蠕變和穩(wěn)態(tài)蠕變兩個(gè)階段。目前對(duì)鈦合金室溫蠕變機(jī)制仍然沒有形成統(tǒng)一的理論。人們普遍認(rèn)為鈦合金的室溫蠕變變形主要由 α 相內(nèi)的位錯(cuò)滑移引起。Neeraj等用鈦合金相對(duì)低的應(yīng)變硬化指數(shù)解釋了鈦合金室溫蠕變現(xiàn)象，并基于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)解釋了合金蠕變速率的變化。他們認(rèn)為，Al 原子與 Ti 原子的短程有序引起位錯(cuò)的平面滑移，導(dǎo)致位錯(cuò)交互作用減少，因此，與其他金屬材料相比，鈦合金更易于發(fā)生室溫蠕變。室溫蠕變會(huì)對(duì)合金的服役可靠性產(chǎn)生不利影響。一方面，室溫蠕變將導(dǎo)致構(gòu)件尺寸發(fā)生變化；另一方面，還會(huì)對(duì)合金的疲勞等其他力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。隨著人們對(duì)潛水器服役安全性的日益重視，鈦合金的室溫蠕變性能受到越來越多的關(guān)注。 

首先，外加應(yīng)力大小影響室溫蠕變性能。有研究發(fā)現(xiàn)，即使在 80%屈服強(qiáng)度的外加應(yīng)力作用下，TC4 合金仍可發(fā)生室溫蠕變，特別是在應(yīng)力水平不低于合金屈服強(qiáng)度的85%時(shí)，合金室溫蠕變較為明顯。對(duì)于 Ti80 合金的室溫壓縮及壓縮蠕變性能研究發(fā)現(xiàn)，合金室溫壓縮屈服強(qiáng)度為 870 MPa，壓縮蠕變應(yīng)力閾值為 656 MPa，當(dāng)外加應(yīng)力小于該應(yīng)力閾值時(shí)，合金只發(fā)生初始蠕變；許玲玉等發(fā)現(xiàn)，合金可進(jìn)入蠕變第二階段的臨界應(yīng)力為 518 MPa。

其次，合金的組織結(jié)構(gòu)也會(huì)影響室溫蠕變性能。經(jīng)兩相區(qū)退火及再結(jié)晶退火后的 TC4 合金的蠕變速率較 β相區(qū)退火后的合金的蠕變速率高，片層組織往往具有更好的抗室溫蠕變性能。對(duì)于 TC4 ELI合金來說，網(wǎng)籃組織比雙態(tài)組織具有更低的蠕變速率，2 種組織類型合金的飽和蠕變應(yīng)力閾值分別為 734.8 和 724.9 MPa，是其各自屈服強(qiáng)度的 0.792 倍，修正的 Norton 方程(1)和(2)可分別描述該合金雙態(tài)組織及網(wǎng)籃組織的穩(wěn)態(tài)蠕變特性，當(dāng)外加應(yīng)力σ大于各自的飽和蠕變應(yīng)力閾值時(shí)，可以得到相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)蠕變速率εs 。表 3 給出了 TC4 ELI 及 Ti80 合金的室溫蠕變性能數(shù)據(jù)，部分?jǐn)?shù)據(jù)可在圖 1 中更直觀地反映出來。通過對(duì)比不同合金種類及組織類型的穩(wěn)態(tài)蠕變速率可見，Ti80 合金的穩(wěn)態(tài)蠕變速率遠(yuǎn)大于 TC4 ELI 合金，這主要是由于與 TC4 ELL 合金相比，Ti80 合金中有更多的易發(fā)生蠕變的 hcp 結(jié)構(gòu) α 相，而 TC4 ELL 合金的網(wǎng)籃組織中片層 α 相相互編織，可以抑制位錯(cuò)的滑移，具有網(wǎng)籃組織的合金的抗蠕變變形能力相比雙態(tài)組織更強(qiáng)。

此外，合金元素 Mo 會(huì)影響合金的抗蠕變性。席國強(qiáng)研究了 Mo 當(dāng)量依次降低的 Ti62A、 TC4及 Ti6242 合金的室溫蠕變性能，在歸一化蠕變應(yīng)力均為各自屈服強(qiáng)度的 95%時(shí)，Ti62A 的抗蠕變性最好，其次為 TC4 合金，相關(guān)數(shù)據(jù)可參見表 3 。 

蠕變所造成的合金塑性應(yīng)變會(huì)對(duì)其后續(xù)疲勞性能產(chǎn)生不利影響。室溫蠕變塑性變形后的 TC4 合金的疲勞壽命降低，一方面是由于試樣尺寸變化對(duì)應(yīng)截面積減少，從而導(dǎo)致試樣所承受的真應(yīng)力增大；另一方面，合金變形后其內(nèi)部損傷加大，也加速了合金疲勞失效。 

表 3 TC4 ELI、Ti80 及 Ti6242 合金的室溫蠕變特性統(tǒng)計(jì)表

Note: σmax—maximum stress, εs   —steady-state creep rate, Tc—creep time, εT—total strain

圖 1 不同應(yīng)力水平下 Ti80[34]和 TC4 ELI[36]合金的壓縮穩(wěn)態(tài)蠕變速率

3.2 低周疲勞性能 

低周疲勞斷裂是深潛器用鈦合金服役的失效方式之一，目前關(guān)于深潛器耐壓殼用鈦合金低周疲勞的研究主要集中在以下幾個(gè)方面。

(1) 加載條件(應(yīng)變幅及應(yīng)力幅大小等)。首先，隨著應(yīng)變幅的增加，TC4 與 TC4 ELI 合金的低周疲勞壽 命均顯著降低；其次，在相同應(yīng)變幅下，TC4 合金的低周疲勞壽命低于 TC4 ELI 合金，如圖 2a 所示；在室溫應(yīng)力控制條件下，TC4 合金會(huì)發(fā)生顯著的循環(huán)蠕變變形，隨著應(yīng)力幅的增加，TC4 ELI 及 Ti80 合金的低周疲勞壽命降低，且在相同應(yīng)力比下，Ti80 合金的低周疲勞壽命稍高于 TC4 ELI 合金。此外，在恒應(yīng)力幅控制下，加載頻率越高、應(yīng)力比越低，則 Ti62A 合金的疲勞壽命越高。 

(2) 組織類型。合金的低周疲勞壽命還受其顯微組織的影響，在相同應(yīng)力幅下，雙態(tài)組織 TC4 ELI 的 疲勞壽命高于魏氏組織合金的疲勞壽命，如圖 2b所示。Ti80 合金也有類似的規(guī)律，這主要是由于雙態(tài)組織具有更強(qiáng)的抵抗疲勞裂紋萌生能力，對(duì)低周疲勞壽命的影響很大。在裂紋擴(kuò)展方面，片層組織 TC4 ELI 合金的疲勞裂紋閉合程度比短棒狀 α 組織合金的要高，從而減小了有效裂紋長度，并使疲勞 裂紋擴(kuò)展路徑更為曲折。與雙態(tài)組織 Ti80 合金對(duì)比發(fā)現(xiàn)，片層組織合金的疲勞裂紋擴(kuò)展速率也較低。就片層組織而言，析出大量次生 α 相的雙片層組織的 Ti80 合金，其疲勞裂紋擴(kuò)展速率低于具有全片層組織的，這是由于較薄的片層及析出相對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展具有阻礙作用。 

(3) 缺口疲勞。針對(duì)耐壓殼材料服役時(shí)可能出現(xiàn)的缺口及應(yīng)力集中問題，劉天福等研究了不同缺口應(yīng)力集中系數(shù)對(duì) TC4 ELI 合金循環(huán)響應(yīng)特性的影響。結(jié)果表明，光滑試樣在總應(yīng)變幅為 0.9%和 0.8%下僅 存在循環(huán)軟化現(xiàn)象，在應(yīng)變幅為 0.5%及 0.4%下，可觀察到先循環(huán)硬化后循環(huán)軟化特征，在應(yīng)變幅為 0.5% 及 0.4%下，呈現(xiàn)出先循環(huán)硬化后循環(huán)飽和的特性；而缺口試樣在循環(huán)初期均發(fā)生了循環(huán)硬化，在低應(yīng)變 幅控制下的循環(huán)變形后期，表現(xiàn)出循環(huán)二次硬化特性。此外，基于循環(huán)載荷作用過程中滯回能建立了相 對(duì)疲勞裂紋萌生壽命模型，可較好地預(yù)測 TC4 ELI合金在具有較低缺口應(yīng)力集中系數(shù)及高應(yīng)變幅條件下低 周疲勞的相對(duì)疲勞裂紋萌生壽命。

圖 2 應(yīng)變控制下的 TC4[52]與 TC4 ELI 合金[30]及應(yīng)力控制下不同顯微組織 TC4 ELI 合金的低周疲勞壽命

3.3 保載疲勞 

人們對(duì)鈦合金保載疲勞效應(yīng)的認(rèn)識(shí)源于 1972 年末至 1973 年初 Rolls-Royce 公司生產(chǎn)的鈦合金航空發(fā) 動(dòng)機(jī)葉片發(fā)生過早失效，從而發(fā)現(xiàn)鈦合金的疲勞性能不能再用簡單的“加載-卸載”的三角波載荷譜來描述?？紤]到飛機(jī)從起飛到降落的整個(gè)服役過程為“起飛-巡航-降落”，發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的載荷譜類似于梯形 波，巡航階段的高應(yīng)力保載階段對(duì)于材料的疲勞壽命具有顯著影響，鈦合金的保載疲勞問題隨之受到越來越多的關(guān)注。目前研究的合金主要聚焦在用于制造航空構(gòu)件的諸如IMI834、TC4及Ti6242等鈦合金，研究工作主要圍繞合金的微觀組織和外部加載條件的影響，以及保載疲勞性能預(yù)測模型的建立等方面，而針對(duì)深潛器用鈦合金保載疲勞方面開展的研究仍然不足。 

表4 匯總了 TC4，TC4 ELI 及 Ti62A 合金的室溫保載疲勞性能的研究數(shù)據(jù)，而有關(guān) Ti80 合金保載疲勞方面的研究仍需開展大量工作。目前在 TC4 合金保載疲勞的研究方面，選用的組織多為作為服役組織的等軸組織或雙態(tài)組織。影響鈦合金室溫保載疲勞性能的主要因素包括以下方面： 

(1) 組織類型?？傮w而言，鈦合金保載疲勞敏感性由高到低的組織順序?yàn)椋旱容S初生 α 相、集束組織、 魏氏組織/網(wǎng)籃組織。研究發(fā)現(xiàn)，具有網(wǎng)籃組織的 Timetal 685和 Ti6242 合金基本不具有保載疲勞敏感性，這主要是由于網(wǎng)籃組織中存在的 α 變體對(duì)合金蠕變變形具有抑制作用，且與 β 轉(zhuǎn)變組織相比，保載疲勞裂紋在初生 α 相內(nèi)擴(kuò)展的速率更快。

(2) 初生 α 相比例。隨著合金中初生 α 相比例的減少，合金的強(qiáng)度得到提高，合金的保載疲勞及純疲 勞壽命均得到提高。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)初生 α 相體積分?jǐn)?shù)從 36%升高至 76%時(shí)，TC4 合金的屈服強(qiáng)度降低了近 90 MPa；在同一應(yīng)力水平下，合金的純疲勞壽命與保載疲勞壽命均降低，相應(yīng)地，合金的保載系數(shù)(dwell debit，定義為純疲勞壽命 Nf與保載疲勞壽命 Ndf之比)由 2 降到 1.2。

(3) 微織構(gòu)及晶粒尺寸。研究表明，微織構(gòu)會(huì)對(duì)鈦合金保載疲勞性能產(chǎn)生重要影響，微織構(gòu)有利于保載疲勞裂紋的萌生，與晶粒尺寸的影響相比，初生 α相的晶體取向?qū)辖鸨］d疲勞壽命的影響更大，減小晶粒尺寸尤其是軟晶粒尺寸，且降低微織構(gòu)強(qiáng)度可以降低合金保載疲勞敏感性。

(4) 保載加載條件(峰值應(yīng)力、保載時(shí)間和應(yīng)力比等)。Wang 和 Cui發(fā)現(xiàn)，隨著峰值應(yīng)力的降低，TC4  ELI 合金保載疲勞敏感性降低，當(dāng)最大應(yīng)力小于合金屈服強(qiáng)度的 70%時(shí)，保載疲勞壽命近似等于純疲勞壽命；此外，隨著保載時(shí)間的增加，合金的保載疲勞壽命降低，而當(dāng)保載時(shí)間超過 120 s 后，保載時(shí)間的影 響降低，相關(guān)數(shù)據(jù)參見圖 3。同樣地，保載時(shí)間對(duì) TC4 合金保載疲勞壽命的影響也非常顯著。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)峰值應(yīng)力為屈服強(qiáng)度的 95%時(shí)，保載時(shí)間從 1 s 增加到 10 s，合金的保載疲勞壽命降低了約 33%；Sun 等研究發(fā)現(xiàn)，隨著應(yīng)力比的增加，保載疲勞壽命增加，與單獨(dú)的蠕變或疲勞加載條件相比，保載疲勞和純疲勞載荷的交互作用加速了 TC4 ELI 試樣的破壞。Song 等對(duì) Ti62A 合金開展了不同加載及卸載時(shí)間的保載疲勞實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，保載疲勞壽命隨加載及卸載時(shí)間的增加而降低，且試樣形狀會(huì)影響保載疲勞壽命；截面積相同時(shí)，同一加載條件的圓形截面試樣保載疲勞壽命高于方形截面試樣。 

鈦合金的抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力對(duì)保載疲勞壽命有重要影響，加載條件對(duì)保載疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響不可忽視。與低周疲勞相比，保載疲勞的裂紋擴(kuò)展速率更快，保載時(shí)間顯著影響保載疲勞裂紋擴(kuò)展速率，隨著保載時(shí)間的增加，TC4合金的裂紋擴(kuò)展速率顯著增加，對(duì)保載疲勞壽命產(chǎn)生不利影響，且初生 α 相體積分?jǐn)?shù)越大，保載時(shí)間對(duì)裂紋擴(kuò)展速率的影響越大。此外，應(yīng)力比與應(yīng)力幅值也會(huì)影響保載疲勞裂紋擴(kuò)展速率，在低應(yīng)力比、高應(yīng)力幅值的加載條件下，塑性變形更易快速累積，裂紋擴(kuò)展速率更快。此外，預(yù)蠕變變形或保載疲勞過程中產(chǎn)生的塑性應(yīng)變會(huì)使試樣截面積減少，使得試樣所所承受的真應(yīng)力增大，合金的保載疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展更容易。

(5) 合金元素及氫含量。與 β 相含量較少的 α 及近 α 合金相比，TC4、Ti62A 等 α＋β 合金中 β 相穩(wěn)定元素含量及 β 相體積分?jǐn)?shù)較高，此類合金具有更低的保載疲勞敏感性。此外，Mo 元素含量會(huì)影響鈦合金的保載疲勞性能，邱建科等通過對(duì) Ti624x (x = 2~6) 合金進(jìn)行保載疲勞實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Mo 元素會(huì)促進(jìn)合金熱處理過程中片層 α的形核，從而降低合金保載疲勞敏感性。氫元素雖然不是鈦合金存在保載效應(yīng)的根本原因，但對(duì)合金保載疲勞的復(fù)雜影響仍是不能忽視的，尚需要開展進(jìn)一步的研究工作。

表4 TC4、TC4 ELI 及 Ti62A 鈦合金室溫保載疲勞性能

Note: Th—dwell time, R—stress ratio, Ndf —dwell fatigue life

圖 3 不同保載時(shí)間及應(yīng)力水平下 TC4 ELI 合金的保載疲勞壽命

3.3.1 保載疲勞損傷的微觀機(jī)制 

雖然人們對(duì)鈦合金保載疲勞的研究已有近 50 年的歷史，但對(duì)鈦合金保載疲勞微觀機(jī)制的理解仍不全面。目前，關(guān)于鈦合金保載疲勞損傷微觀機(jī)制主要有應(yīng)力重分配模型和載荷釋放(load shedding)模型，此 外，還有其他相關(guān)機(jī)制或觀點(diǎn)。具體為： 

(1) 應(yīng)力重分配模型。該模型的主要觀點(diǎn)為：假定一對(duì)軟/硬(有利位錯(cuò)開動(dòng)取向/不利位錯(cuò)開動(dòng)取向)晶 粒受到恒定應(yīng)力的作用，由于不同取向的 α 晶粒具有不同的彈性模量及屈服強(qiáng)度，軟/硬晶粒將分別發(fā)生 不同的應(yīng)變，而晶粒變形需要相互協(xié)調(diào)，導(dǎo)致軟/硬晶粒內(nèi)部應(yīng)力不一致，硬晶粒的應(yīng)力大于軟晶粒，從而導(dǎo)致保載疲勞裂紋萌生。此外，保載疲勞裂紋一般萌生于試樣次表面，在裂紋萌生區(qū)域可觀察到解理小平面，這些小平面通常與應(yīng)力軸垂直或傾斜，沿初生α相基面形成。對(duì)于解理小平面的形成， Bache 引入了 Stroh 模型，認(rèn)為位錯(cuò)會(huì)在軟晶粒內(nèi)滑移，并在相鄰硬晶粒的邊界處發(fā)生塞積，從而在硬取向晶粒中會(huì)引起剪切應(yīng)力并促使滑移帶的形成，在外加循環(huán)拉應(yīng)力和附加剪切應(yīng)力的不斷作用下，造成疲勞裂紋沿硬晶?；婊茙壬Ｔ撃Ｐ蜑槔斫獗］d疲勞解理小平面形成提供了一定幫助，但其并未解釋保載疲勞損傷的時(shí)間依賴性，相應(yīng)的位錯(cuò)行為也需要進(jìn)一步開展研究。

(2) 載荷釋放模型。雖然鈦合金的宏觀應(yīng)變速率敏感性與其他金屬相比并無顯著差異，但低對(duì)稱性的 hcp 結(jié)構(gòu) α 相固有的彈塑性各向異性會(huì)對(duì)合金的局部應(yīng)力及位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)造成影響，也使軟、硬晶粒組合對(duì)力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響。Hasija 等通過建立應(yīng)變速率相關(guān)的晶體彈塑性模型來理解合金在不同應(yīng)變速率下蠕變及保載疲勞過程中的整體和局部力學(xué)行為，并提出了時(shí)間依賴性的載荷釋放模型。該模型考慮了鈦合金 α相本身的各向異性和變形的時(shí)間依賴性，認(rèn)為局部應(yīng)力集中和應(yīng)力重分配是時(shí)間的函數(shù)，滑移首先發(fā)生在軟取向的晶粒上，而硬晶粒應(yīng)變小，為了保持應(yīng)變協(xié)調(diào)性，軟/硬晶粒會(huì)盡量保持同一應(yīng)變，合金在保載過程中，軟晶粒將部分載荷轉(zhuǎn)移到硬晶粒，軟晶粒中應(yīng)力減小，而硬晶粒中尤其是晶界附近的應(yīng)力不斷增加，產(chǎn)生應(yīng)力集中，保載時(shí)間越長、應(yīng)變速率敏感指數(shù)越大，則應(yīng)力集中越嚴(yán)重，最終形成裂紋。

Dunne 等進(jìn)一步系統(tǒng)地研究了晶粒取向?qū)d荷釋放的影響，建立了晶體塑性模型。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)晶粒組合由 c 軸近似垂直于和平行于加載軸的軟和硬晶粒組成，且其中軟晶粒的柱面滑移系的滑移面與加載軸法線方向夾角為 70的軟-硬-軟的晶粒組合時(shí)，晶界的局部應(yīng)力最高，也最容易形成解理小平面，將其命名為“rogue grain combination”；當(dāng)應(yīng)變速率敏感指數(shù) m 和保載時(shí)間增加時(shí)，硬取向晶粒中的局部應(yīng) 力增大，最終導(dǎo)致疲勞裂紋萌生。Venkatramani等發(fā)現(xiàn)，晶界處的載荷釋放對(duì)軟晶粒的尺寸更為敏感。 

(3) 冷蠕變相關(guān)的機(jī)制。除上述 2 個(gè)保載疲勞機(jī)制外，還有觀點(diǎn)認(rèn)為鈦合金保載疲勞問題的關(guān)鍵是合金的室溫蠕變即“冷蠕變”。保載疲勞往往具有比普通疲勞更大的應(yīng)變，且保載疲勞應(yīng)變曲線與蠕變曲線非常相似，說明保載階段合金發(fā)生了冷蠕變，而如前文所述，室溫蠕變對(duì)疲勞性能不利，一般地，保載疲勞累積應(yīng)變?cè)酱螅］d疲勞壽命越低，這也可以解釋為何具有網(wǎng)籃組織的合金具有較低的保載疲勞敏感性。此外，冷蠕變過程中往往出現(xiàn)變形局部化，導(dǎo)致應(yīng)力集中，增加了疲勞裂紋萌生的傾向。因此，進(jìn)一步研究鈦合金室溫蠕變相關(guān)機(jī)制，降低保載疲勞過程中的冷蠕變，對(duì)鈦合金保載疲勞性能的提高有重要意義。

(4) 應(yīng)變速率敏感性相關(guān)的機(jī)制。雖然保載疲勞裂紋的萌生與合金中軟/硬晶粒組合有關(guān)，但其他多晶金屬材料如鋼鐵材料中，并不存在明顯的保載疲勞敏感性，因此軟/硬取向晶粒組合似乎也并不能從根本上徹底解釋鈦合金保載效應(yīng)的本質(zhì)。載荷釋放模型表明，應(yīng)變速率敏感性對(duì)鈦合金的保載效應(yīng)具有重要影響，近年來，鈦合金的應(yīng)變速率敏感問題得到越來越多的關(guān)注。Zheng 等研究了二維離散位錯(cuò)塑性的應(yīng)變速率敏感性，結(jié)果表明，在低應(yīng)變速率下(<103 s -1 )，速率敏感性主要來自于位錯(cuò)的熱激活過程， 即釘扎的位錯(cuò)脫離障礙的過程；在保載期間位錯(cuò)密度顯著增加，這是由于在持續(xù)應(yīng)力作用下，位錯(cuò)源持續(xù)激活及脫離障礙的能力隨著時(shí)間的推移逐漸增強(qiáng)。鈦合金 α 相主要有柱面滑移、基面滑移及錐面滑移 3 種滑移系，雖然基面及柱面滑移都易開動(dòng)，但基面滑移比柱面滑移具有更高的應(yīng)變速率敏感性，保載有利于軟晶粒中基面滑移激活并造成更大的載荷釋放，開裂可能優(yōu)先出現(xiàn)在軟(基面滑移)-硬晶粒組合，因此，硬晶粒內(nèi)部的局部高應(yīng)力可能不是導(dǎo)致基面滑移的直接原因，而保載階段長時(shí)間施加 應(yīng)力造成應(yīng)力集中對(duì)疲勞裂紋的形成有更大的作用；此外，不同晶體取向的 α 晶粒應(yīng)變速率敏感性也不同，具有較弱保載效應(yīng)的 Ti6246 鈦合金晶粒的應(yīng)變速率敏感性與晶體取向無關(guān)，而具有較強(qiáng)保載效應(yīng)的 Ti6242 合金則表現(xiàn)出強(qiáng)烈的晶體取向依賴性。盡管目前人們?cè)诶斫忖伜辖鸨］d效應(yīng)的應(yīng)變速率敏感性方面做了大量工作，但為何基面滑移與柱面滑移的應(yīng)變速率敏感性不同以及應(yīng)變速率敏感性如何影響保載疲勞裂紋萌生等問題，尚需開展深入研究。

(5) β 相及次生 α 相的影響機(jī)制。除了相鄰初生 α 相的晶體取向?qū)辖鸬谋］d疲勞性能有影響外，β 相及次生 α 相的影響也不可忽視。β 相阻礙了合金中位錯(cuò)在 α-β-α 基體內(nèi)的滑移，這種阻礙作用隨 β 相板條厚度的增加而增加，這主要是由于板條 β 相的存在導(dǎo)致了位錯(cuò)塞積，與無 β 相相比，增加了位錯(cuò)塞積的位置，但降低了每個(gè)應(yīng)力集中處塞積位錯(cuò)的數(shù)量，這有利于減少疲勞過程中合金的變形局部化；然而，板條 β 相本身對(duì)保載效應(yīng)的減少有限，伴隨 β 板條產(chǎn)生的多種 α 變體對(duì)抑制位錯(cuò)塞積和應(yīng)力集中起了更大的作用，這可能也是網(wǎng)籃組織比集束組織(colony structure)具有更低保載疲勞敏感性的原因。對(duì)含有小體積分?jǐn)?shù)初生 α 相的 Ti6242s 合金的保載疲勞性能研究發(fā)現(xiàn)，初生 α 相晶體取向與 β 轉(zhuǎn)變區(qū)中 α  + β 集束排列方向之間的關(guān)系是影響初生 α 相位錯(cuò)行為的關(guān)鍵。Zeng 等對(duì) TC4 合金局部初生 α 相-次生 α 相(αp - αs)組合損傷程度的定量表征發(fā)現(xiàn)，與發(fā)生大量滑移的初生 αp 相相鄰的次生 αs 相在長時(shí)間疲勞載荷作用下逐漸發(fā)生損傷，這進(jìn)一步加劇了合金的疲勞損傷。

3.3.2 保載疲勞壽命預(yù)測模型 

基于上述的保載疲勞微觀機(jī)制，人們對(duì)鈦合金的保載疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測，按照建模方法的不同可將預(yù)測模型分為以下 3 類。 

(1) 基于晶體塑性有限元的模擬計(jì)算。Anahid 等提出了一種鈦合金保載疲勞裂紋萌生模型，該模型利用在晶體塑性有限元多晶微結(jié)構(gòu)模擬中計(jì)算的變量，通過塑性變形梯度來考察各滑移系的相互作用及裂紋萌生行為，有效地預(yù)測了疲勞裂紋形核所需循環(huán)周次和裂紋形核位置，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)基本吻合。Xu 等通過建立離散位錯(cuò)塑性模型，模擬保載過程中位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，也實(shí)現(xiàn)了對(duì)保載疲勞壽命的可靠預(yù)測，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測模型結(jié)合證實(shí)了在保載過程中 Ti-834 合金軟取向晶粒中開動(dòng)的柱面滑移導(dǎo)致位錯(cuò)在硬晶粒的晶界處塞積，形成應(yīng)力集中，并促使相鄰硬晶粒中的基面位錯(cuò)形核。該模型可以較好地預(yù)測累積應(yīng)變及保載疲勞壽命。 

(2) 基于蠕變和疲勞的耦合作用的壽命預(yù)測。保載疲勞可看成是蠕變和疲勞的耦合作用，并可據(jù)此預(yù)測鈦合金的保載疲勞壽命。Peng 等將保載時(shí)間和應(yīng)力水平作為關(guān)鍵變量，劃分了保載和疲勞兩個(gè)區(qū)域。在高應(yīng)力區(qū)，蠕變和棘輪效應(yīng)顯著，斷裂方式為大變形引起的韌性斷裂，增加保載時(shí)間對(duì)疲勞壽命影響顯著；而在低應(yīng)力區(qū)，斷裂方式為典型的疲勞斷裂，在此基礎(chǔ)上，他們提出了基于疲勞、蠕變和棘輪效應(yīng)的保載疲勞壽命預(yù)測模型，模型預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。Wang 等將峰值應(yīng)力-疲勞壽命曲線劃分為近似蠕變作用區(qū)、蠕變和疲勞混合作用區(qū)以及疲勞作用區(qū)。通過改變保載時(shí)間可以獲得與蠕變壽命相接近的對(duì)應(yīng)的保載飽和時(shí)間(當(dāng)保載時(shí)間增加至某臨界值時(shí)，保載疲勞壽命基本不隨保載時(shí)間增加而減小，該臨界值為保載飽和時(shí)間)和臨界峰值應(yīng)力 σA，當(dāng)保載疲勞與純疲勞應(yīng)力-壽命曲線重合時(shí)，可確定轉(zhuǎn)折峰值應(yīng)力 σB。據(jù)此，他們獲得 TC4 ELI 合金的保載飽和時(shí)間、σA、σB值分別為 120 s、0.85σs和 0.55σs。在疲勞壽命評(píng)估方法中，線性累積損傷準(zhǔn)則是常用的方法，即將蠕變疲勞損傷定義為疲勞損傷與蠕變損傷的線性和，當(dāng)蠕變損傷采用延性耗竭理論評(píng)估時(shí)，保載疲勞壽命幾乎與保載時(shí)間、峰值應(yīng)力和微觀結(jié) 構(gòu)無關(guān)，可作為一種通用的保載疲勞壽命預(yù)測方法。 

(3) 基于軟/硬晶粒晶界應(yīng)力松弛的壽命預(yù)測。Zeng 等提出了“應(yīng)力松弛誘導(dǎo)應(yīng)力重分配模型”， 如圖 4a 所示。當(dāng)對(duì)軟/硬晶粒施加應(yīng)力 σa后，較軟的初生 α 相先發(fā)生塑性變形，開動(dòng)的位錯(cuò)在 αp - αs晶界處塞積并引起應(yīng)力集中，借助 Maxwell 應(yīng)力松弛模型，假設(shè) αp - αs晶界為彈簧，次生 α 相為阻尼器 (見圖 4b)，保載加載后晶界處的塞積應(yīng)力 σ0使彈簧發(fā)生彈性變形，初生 α 相晶界向相鄰次生 α 相內(nèi)弓出；當(dāng) σ0足夠大時(shí)，彈簧的部分彈性應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)樽枘崞鞯乃苄詰?yīng)變，即 αp - αs晶界的部分彈性應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)榇紊?α 相的塑性應(yīng)變，應(yīng)力得到松弛?；谶@一微觀機(jī)理，依據(jù)初生 α 相塑性變形開動(dòng)的位錯(cuò)數(shù)量可計(jì)算出 σ0，如圖 4c所示，并由此給出了保載疲勞過程中次生 α 相的塑性應(yīng)變εs-cal計(jì)算公式：

式中，Lp為 N 個(gè)循環(huán)之后初生 α 相的應(yīng)變，b 為 Burgers 矢量模，η為黏彈性系數(shù)，E 為 Young’s 模量，t 為保載時(shí)間，每個(gè)循環(huán)周次的保載時(shí)間為 60 s。次生 α 相的塑性變形計(jì)算結(jié)果與準(zhǔn)原位實(shí)驗(yàn)測得的結(jié)果接近。圖 4d給出了保載疲勞加載過程中 αp - αs晶界處的局部應(yīng)力變化示意圖，其中 σc為發(fā)生塑性變形的臨界應(yīng)力，應(yīng)力超過該值時(shí)，發(fā)生塑性變形，低于該值時(shí)，發(fā)生彈性變形。“應(yīng)力松弛誘導(dǎo)應(yīng)力重分配模型”闡明了雙態(tài)鈦合金中軟硬不同的初生 α 相與次生 α 相在保載疲勞過程中的應(yīng)力松弛行為，闡述了較軟初生 α 相中高集中應(yīng)力通過應(yīng)力松弛向較硬次生 α 相中重分配，從而進(jìn)一步導(dǎo)致保載過程中次生 α 相損傷程度增加的物理過程，為定量預(yù)測保載疲勞損傷提供了參考。

圖 4 應(yīng)力松弛示意圖，Maxwell 模型，初生 α 相晶粒塑性變形示意圖及應(yīng)力松弛過程示意圖

4 結(jié)語與展望

綜上所述，目前人們?cè)阝伜辖饦?gòu)件服役可靠性方面開展了一系列工作，特別是針對(duì)在航空用鈦合金的保載疲勞等方面開展了大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究工作，但是，針對(duì)深海用鈦合金構(gòu)件服役可靠性評(píng)價(jià)與壽命預(yù)測尚有大量的問題尚未澄清，未來可能需要從以下幾個(gè)方面開展相關(guān)研究。 

(1) 針對(duì)深海服役條件下鈦合金構(gòu)件保載疲勞失效微觀機(jī)理的基礎(chǔ)研究。截至目前，針對(duì)深潛器用鈦合金服役可靠性的研究工作主要是關(guān)注鈦合金材料單一力學(xué)性能指標(biāo)的優(yōu)劣，而對(duì)構(gòu)件在服役條件下綜合力學(xué)性能的評(píng)價(jià)、特別是深潛器耐壓殼服役條件下的諸多影響因素(應(yīng)力類型、溫度、腐蝕)的綜合考量研究得尚不夠充分。針對(duì)具有焊接結(jié)構(gòu)的鈦合金構(gòu)件，其保載疲勞失效機(jī)制，鈦合金及其焊接結(jié)構(gòu)件在靜載荷下的冷蠕變、交變載荷下的低周疲勞及保載疲勞載荷下的損傷機(jī)制、多種加載模式間的內(nèi)在聯(lián)系及與服役環(huán)境間的交互作用，仍需要開展深入系統(tǒng)的研究。 

(2) 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的鈦合金構(gòu)件深海服役條件下的可靠性評(píng)價(jià)與壽命預(yù)測。如何通過大量的實(shí)驗(yàn)研究，建立鈦合金構(gòu)件保載疲勞服役性能數(shù)據(jù)庫，基于已有的保載疲勞的微觀機(jī)制，建立物理模型驅(qū)動(dòng)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，對(duì)深海服役條件下鈦合金構(gòu)件的服役壽命進(jìn)行預(yù)測，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的鈦合金構(gòu)件服役可靠性及壽命的有效評(píng)估；根據(jù)構(gòu)件的不同服役特點(diǎn)選擇最優(yōu)匹配的鈦合金材料，建立高精度、通用性好的耐壓殼服役壽命預(yù)測模型和數(shù)據(jù)庫，為在役構(gòu)件服役可靠性的快速評(píng)價(jià)提供數(shù)字化工具。

(3) 開發(fā)具有高強(qiáng)度、低保載效應(yīng)的高性能鈦合金材料。目前，有關(guān)保載疲勞微觀機(jī)制的描述主要集中在二維尺度上，無法詳細(xì)描述位錯(cuò)三維空間的交互作用、微裂紋形核及擴(kuò)展等過程，因此，有必要將模型擴(kuò)展到三維尺度。在進(jìn)一步理解保載疲勞失效機(jī)理的基礎(chǔ)上，根據(jù)構(gòu)件的服役特性，從鈦合金及其構(gòu)件的成形、加工、熱處理等方面全方位地對(duì)合金的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，獲得最優(yōu)的服役組織結(jié)構(gòu)，從而開發(fā)出具有高強(qiáng)度和低保載效應(yīng)的鈦合金。