3、 Ti-6Al-4V 合金疲劳裂纹扩展行为研究

Ti-6Al-4V 合金和超低间隙 Ti-6Al-4VELI 合金向来都是国内外钛合金的裂 纹扩展行为研究的主要方面,在这些研究中大多是微观结构上的试验与探究。黄 新跃在对 Ti-6Al-4V 钛合金的微观结构裂纹扩展行为进行研究时，得出结论： 钛合金裂纹的闭合是产生小裂纹现象的主要原因。Choi 在对 Ti-6Al-4V 进行小 片层结构的小裂纹分析研究时，发现若 a 型集束发生交叉则将会提高小裂纹发 生转折的可能性。黄新跃通过试验得出，若钛合金的裂纹扩展速率比较缓慢,原 因可能是材料本身的特性导致，或者因为高温试验是温度不够精确。杨武在对 Ti-6Al-4V ELI 钛合金进行高温试验时发现，当同在室温时进行试验，疲劳裂纹 扩展速率会随着应力比的降低而放缓；不过当应力比的降低较多时，裂纹扩展 速率受到应力比的影响也将逐渐变小。

4 疲劳裂纹扩展理论进展

人们在衡量一个构件的使用寿命的时候，通常以其疲劳寿命为标准的。同 时，在给定的疲劳环境载荷条件下，疲劳寿命是指加载到临界值的时候，载荷 在此之间循环的次数。 在计算材料的疲劳寿命时，研究人员大多会用材料的 疲劳裂纹扩展速率来表示。无论在何种情况下对初始裂纹进行研究，我们都将 借助断裂力学的知识。应用断裂力学可以研究含有初始裂纹的材料，裂纹在各 种环境下的失稳、扩展以及断裂的规律。裂纹尺寸的大小以及裂纹扩展速率的 快慢是评估一个结构材料损伤的重要一句，同时也将成为定义疲劳寿命的依据。

早在一个多世纪之前，各国科学家们就已经开始对疲劳问题进行实验和研 究。1829 年,德国的一个长期在矿井工作的采矿工程师 alerbt，通过在矿井行下 进行的铁链的重复载荷试验，编写了世界上第一本关于金属疲劳问题的试验报 告。到了 1839 年，学者 Hippocrate 将结构在反复载荷情况下受到的破坏称之为 “疲劳”。在 1854 年时，学者 wait 在伦敦的土木工程大会上发表了一篇有关疲劳 载荷的论文，这是“疲劳”一词第一次出现在论文之中。1842 年，胡德提出了疲 劳的“结晶”理论，他在试验中发现金属的强度在重复应力的作用下将会降低而 影响使用性能，这时的金属已经由于振动而发生了结晶化。1847 年,德国的研究 人员霍尔为了对疲劳现象进行科学而完善的研究，他设计出了世界上第一台疲 劳试验机,此后开始了对疲劳现象系统的研究，他也获得了一个外号叫做“疲劳 试验之父”。为了满足不同试验的要求，此后霍尔又相继研制出不同用途的疲劳 试验机。从那之后，金属式样被首次应用进行了疲劳试验。通过这些实验，他 比较完整的描述了材料疲劳寿命及材料循环应力之间的关系,并提出曲线与疲劳 极限之间的关系，提出了曲线-疲劳的概念。同时，他还发现了应力幅与疲劳破 坏的因果关系，应力幅将决定构件的疲劳破坏，因此他成为了金属疲劳的奠基 人。自十九世纪七十年代到九十年代,科学家格贝尔通过研究平均应力对疲劳强 度的影响,提出了一种抛物线方程，被称为格贝尔方程。不久之后，格贝尔方程 著名的简化曲线图——古德曼曲线图，也被英国科学家古德曼提出。十九世纪 八十年代中期，保辛格将 T 应力引入疲劳。从而演变出一种拥有滞后性的应变 回线的概念，后来这种概念被称之为“保辛格效应”。

但是，在整个十九世纪,科学家们对疲劳问题的研究是非常有限的,全球仅仅 发表了大概 80  篇论文。到了二十世纪初,为了对疲劳裂纹进行更加透彻的研究，科学家们开始借住镜相显微镜来对疲劳机制进行研究。欧文和汉弗莱在 1903 年 的时候提出了疲劳变形的原因。他们通过显微镜观察研究发现，和单调变形类 似的滑动位移可能是产生疲劳裂纹的主要原因。到了 1910 年,巴尔斯罗在循环 载荷的条件下，对应力-应变曲线的变化进行了研究，在对不同应力的曲线进行 了分析并测定了滞后回线之后,他提出了循环硬化和循环软化的概念并通过多次 的多级疲劳试验进行验证。英国人霍夫在进行多轴疲劳试验研究时,详细阐明了 弯和扭的复合作用对材料疲劳的实质影响，并且在 1924 年出版了一本叫做《金 属疲劳》的疲劳学巨著。1920 年，格里芬公布了一个设计计算的理论内容，其 中包括了他以玻璃为材料进行的断裂试验结果及计算数据，得出了玻璃的实际 强度是由细小的小裂纹决定的，并且得出 S=aK 的关系式，a 代表裂纹实际尺寸， S 指断裂时的应力，K 是疲劳常数。1929 年时，美国人皮特森通过整合公式， 将应力集中系数的理论值给提出来了。两年之后，英国人海尔为了区分高强度 与低强度钢之间疲劳效应的不同，提出了内应力以及缺口应变分析的概念，通 过这些概念，是学界对高、低强度钢之间的疲劳效应有了新的认知。