深海中蕴藏着生物和矿产资源,深海潜水器是深海科学研究和资源开发的主要运载工具,“耐压舱”是其核心部件,是人类进入深海的安全屏障。潜水器的每一次作业,耐压舱都承受一次不断变化的海水压力(升载-保载-卸载)作用,这种载荷谱下的疲劳称为保载疲劳(Dwell fatigue)。新型高强韧钛合金是耐压舱的首选材料,研究其保载疲劳特性对于深海潜水器的设计和可靠性评估具有重要意义。
研究发现,耐压舱钛合金的三种保载疲劳失效模式,即疲劳失效、延性失效及疲劳与延性混合失效。保载与疲劳载荷的相互作用加速了试样的失效,并导致不同失效模式之间的竞争。研究进一步发现保载疲劳寿命与第一周次累积最大应变有关,二者在双对数坐标下呈近似线性关系,间歇加载时间对钛合金的保载疲劳行为没有影响。实验结果和理论分析揭示了钛合金的保载疲劳机理,即保载产生的塑性变形增大了试样的实际应力,这促进了已形成裂纹或损伤的扩展,同时,疲劳载荷部分导致的局部塑性应变增大了保载疲劳塑性应变的累积。
1.强度高:钛合金的抗拉强度为686-1176MPa,但密度仅为钢的60%左右,因此其强度非常高。
2.硬度较高:钛合金的硬度(退火态)为HRC 32-38。
3.低弹性模量:钛合金(退火态)的弹性模量为1.078×10-1.176×10MPa,约为钢和不锈钢的一半。
4.优异的高温和低温性能:钛合金在高温下仍能保持良好的机械性能,其耐热性远高于铝合金,新型耐热钛合金的工作温度可达550-600℃;在低温下,钛合金的强度反而比在常温时增加,同时具有良好的韧性,低温钛合金在-253℃时还能保持良好的韧性。
5.强抗腐蚀性:钛在550℃以下的空气中,表面会形成薄而致密的氧化钛膜,因此在大气、海水、硝酸和硫酸等氧化性介质及强碱中,其耐蚀性优于大多数不锈钢。