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《江苏科技大学》 2019年
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新型钛合金保载-疲劳裂纹扩展行为试验研究

卞超  
【摘要】:目前,越来越多的国家将深海资源的开发与利用定位成重要的战略目标,因此在海洋资源上的竞争也越来越激烈。深海载人潜水器作为深海科学考察的重要工具,在深海地理环境研究、海洋资源调查和深海生物基因研究等方面起着至关重要的作用。深海载人潜水器耐压壳体材料的寿命与潜水器的可靠性和服役期限密切相关,由于海洋环境具有较大的复杂性和多变性,潜水器在服役期间承受着复杂的波动载荷,所以疲劳破坏成为了深潜器等海洋结构物在服役期间的主要破坏形式之一。钛合金材料由于其突出的力学性能,成为潜艇和深潜器耐压壳体制造的重要材料。研究发现潜水器实际工作过程中其耐压壳结构除了承受下潜和上升的循环载荷之外,它还承受着下潜到工作深度时的巡航保载载荷。因此,耐压壳结构的疲劳实际上是保载-疲劳问题。大量的试验都证明保载-疲劳下钛合金材料寿命要明显低于疲劳条件下的寿命。同时,许多研究发现改变试验中应力比的大小对材料疲劳寿命及裂纹扩展速率存在较大影响。随着国家对深海资源开发的欲望愈来愈强,载人潜水器的下潜深度也愈发加大,下潜次数也逐渐增多,现有载人潜水器耐压壳材料难以满足这一要求,因此开展对大深度载人潜水器耐压壳用新型钛合金材料的疲劳以及保载-疲劳裂纹扩展行为开展试验研究是具有重要科学研究前景和工程实际意义的。本文的主要研究目的是在疲劳裂纹扩展理论的基础上,以全海深载人潜水器载人舱用钛合金材料为主要研究对象,针对钛合金材料的裂纹扩展特点开展基本力学试验、疲劳性能试验以及室温下保载-疲劳裂纹扩展速率试验研究。在试验中结合保载-疲劳相关理论对新型钛合金不同应力比、不同保载时间下的疲劳及保载-疲劳裂纹扩展速率进行试验,并基于定量分析的方法对保载时间饱和值进行探讨。结合微观扫描电子显微镜的运用,将在试验后对断口平面进行扫描,讨论不同试验参数下新型钛合金保载-疲劳裂纹扩展机理。基于上述研究目的,本文主要研究工作有如下几个方面:(1)对国内外疲劳和保载-疲劳裂纹扩展行为研究进行了综述。重点研究钛合金材料保载-疲劳裂纹扩展行为,为本文试验研究奠定了理论基础;(2)开展钛合金材料基础力学性能和疲劳性能试验研究。对钛合金材料进行包括拉伸和断裂韧性等基础力学性能试验,为后期试验确定相关材料参数。开展钛合金材料不同应力比下疲劳性能试验,得到不同应力比对疲劳裂纹扩展行为的影响;(3)对室温下钛合金保载-疲劳裂纹扩展行为进行试验研究。重点研究在不同保载时间以及不同保载应力比下的钛合金保载-疲劳寿命和保载-疲劳裂纹扩展速率,汇总试验结果并进行分析与总结,得出不同保载时间以及应力比对保载-疲劳裂纹扩展行为的影响;(4)基于定量分析的方法以及微观扫描电子显微镜的运用,将二者融入进本文试验结果分析当中。得出钛合金材料疲劳及保载-疲劳试验结果后,引入定量分析方法的概念,分别对疲劳及保载-疲劳试验结果进行定量分析,揭示保载对疲劳裂纹扩展行为的影响。利用扫描电子显微镜对试样断口进行扫描并分析扫描结果,基于上述分析结果,对钛合金保载-疲劳扩展行为机理进行探讨,从而揭示保载对疲劳扩展行为的影响机理。
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