海洋資源的開發利用是解決能源問題的重要途徑之一。海洋資源的勘探和開發離不開海洋工程裝備。鈦合金是一種具有優異耐海水腐蝕性能的結構材料，具有無磁性、無冷脆性，是非常理想的海洋裝備制造材料，可解決深海裝備普遍存在的浮力儲備不足、結構安全可靠性欠佳等問題，可以很好地滿足海洋工程應用的要求。然而，由于艦船用鈦合金的服役工況較為復雜，在服役過程中不可避免地產生局部腐蝕、輕微劃傷等表面缺陷。大量的研究和試驗結果表明，鈦合金表面質量和缺口會大大降低其使用性能。打磨態鈦合金的板材表面存在大量微劃痕，輕微的外物撞擊可能會使其出現表面局部損傷，嚴重的會產生缺口，而缺口會改變構件在載荷下的應力分布。材料服役時，其缺口處易產生應力集中，導致裂紋過早萌生，最終縮短其使用壽命，給裝備的服役帶來極大的安全隱患。此外，實驗室加工標準試樣的表面狀態要優于構件的實際狀態，由標準試樣測試出的材料性能與服役狀態下的材料性能會有一定差距。鈦合金的表面狀態對其在深海高壓環境下的力學行為有重要影響,目前已有很多學者研究了鈦合金表面質量，如缺口、粗糙度對其靜態拉伸性能及疲勞性能的影響。田偉等研究了不同缺口對TC17鈦合金拉伸性能和低周疲勞性能的影響，應力集中系數越高，抗拉強度越高，但是疲勞壽命會在應力集中系數大于1.92時急劇下降。用彎曲力學性能評價表面敏感性的研究卻少有報道。橫向彎曲是一種較為常見的承載模式，彎曲力學性能是衡量設備安全可靠性的重要因素，尤其對于深海用裝備結構材料，其服役過程中部分部位的承力甚至超過材料的屈服強度，失效模式多種多樣，目前對于彎曲載荷下鈦合金表面狀態對材料強度、局部塑性變形行為的影響尚不明確。因此，研究表面狀態對鈦合金彎曲力學性能的影響對鈦合金在深海裝備主結構上的應用安全性具有重要意義。
針對Ti80合金板材的打磨劃痕、缺口等表面缺陷，研究人員利用數字圖像相關(DIC)方法研究了Ti80合金表面質量及缺口對其彎曲力學行為、局部變形行為的影響，并結合掃描電鏡(SEM)以及電子背散射衍射技術(EBSD)分析該類表面缺陷在Ti80合金局部變形過程中的作用機制，為其在深海環境下的安全應用提供支持。
1、 試驗材料與方法
試驗材料為Ti80板材，顯微組織為等軸α和板條α的雙態組織(見圖1)。為了分析不同表面狀態對其力學性能的影響，設計了1#光滑表面拋光試樣、2#原始表面試樣以及3種缺口試樣，試樣厚度均為8mm，3#試樣缺口深度為0.1mm，缺口曲率半徑為0.1mm，4# 試樣缺口深度為1mm，缺口曲率半徑為0.05mm，5#試樣缺口深度為1mm，缺口曲率半徑為0.25mm，缺口試樣結構如圖2所示，缺口試樣尺寸如圖3所示。對5種類型試樣進行三點抗彎強度測試，每種試樣取2個。試驗前在試樣表面噴制隨機分布的散斑標點，采用視頻引伸計測量試樣表面應變，可實現與試驗設備同步采集數據。參考 YB/T 5349—2014 《金屬材料 彎曲力學性能試驗方法》進行三點彎曲試驗，支點跨距為40mm，壓輥直徑為10mm，支輥直徑為4mm，試驗速率為2mm/min。試樣斷裂后，利用雙束掃描電子顯微鏡對試樣斷裂側面進行觀察。
2、 試驗結果與分析
2.1不同缺口試樣的應力集中系數
利用有限元軟件對缺口試樣進行應力集中系數分析計算。首先，在軟件中建立不同缺口尺寸的試樣模型，定義材料為各向同性，彈性模量為116GPa，泊松比為0.3，采用Mises屈服準則，網格劃分部分采用六面體網格，考慮到缺口處的應力集中，對缺口處網格進行了細化，單元類型為8節點的二次單元，模型一端固定，另一端施加彎矩，取遠離缺口處截面為基準面，提交后得到3#，4#，5#試樣的應力集中系數分別為2.70，7.90，4.26。
2.2不同表面狀態對試樣彎曲力學性能的影響
1#~5#試樣的室溫彎曲試驗結果如表1所示。
圖4為1#~5#試樣的彎曲應力-應變曲線，由圖4可知：原始表面及帶缺口試樣的抗彎強度均略低于光滑試樣，沒有明顯的缺口強化效應。計算不同表面狀態試樣抗彎強度與光滑試樣抗彎強度的比值，以進行試樣表面敏感度判定，其中2#，3#，4#，5# 試樣對1#試樣的表面敏感度分別為0.94，0.94，0.97，0.97，說明對 Ti80材料來說，缺口對材料的脆化效應大于缺口處的三向應力狀態產生的缺口強化效應，缺口尺寸對試樣的抗彎強度影響較小，而斷裂應變隨著缺口尺寸的增加迅速下降，試樣塑性變形能力較差。
表面打磨及缺口會導致試樣的斷裂應變顯著降低，1#表面拋光試樣的斷裂應變最大，塑性最好，2#原始表面試樣雖無缺口，但斷裂應變相較于1# 試樣下降52%，說明斷裂應變對表面狀態十分敏感。
2.3彎曲過程中的局部變形行為
DIC測量下壓量為1mm時1#~5# 試樣的應變云圖如圖5所示，由圖5可知，應變均集中在試樣下表面與壓輥同軸的位置，其余大部分區域的應變都很小，1#，2#和3#試樣的應變分布區域較大，而4#，5#缺口試樣的應變主要集中在缺口附近。1#~5#試樣下表面中心沿厚度方向的應變分布如圖6所示，由圖6可知：1#，2#和3#試樣的應變分布比較接近，表明表面狀態對試樣應力、應變分布的影響較小；在彈性階段，1#，2#和3#試樣并無明顯差別，4#，5#試樣的應變明顯大于1#，2#和3#試樣，并且下降的趨勢更明顯，表明缺口處承受了更大的載荷，離缺口越近，應力集中現象越明顯。
圖7為斷裂前1#~5#試樣的應變云圖，1#試樣破壞時的應變最大，彎曲撓度也最大，塑性最好，隨著表面缺口處應力集中的增加，彎曲撓度逐漸減小，試樣破壞時的應變更加集中，試樣下表面中心沿厚度方向的應變分布如圖8所示，隨著表面質量的下降及缺口尺寸的增加,試樣的塑性變形區也減小。隨著缺口深度的增加，試樣的破壞應變進一步減小，但4#和5#試樣較為接近，這說明當缺口未達到斷裂閾值時，仍可通過塑性變形把應力集中在一定區域內并釋放。3#試樣的應變區域相較于4#，5#試樣更大，說明該種類型的缺口雖造成了應力集中，但束縛相對較小，加載過程中能夠用更大的塑性變形區域緩解局部應力集中，從而延遲斷裂。通過斷裂前的應變分布可以發現，隨著應力集中系數的增大，應變集中區域的面積顯著減小，這是因為鈦合金應變強化能力較弱，缺口產生應力集中時，應變強化影響的范圍小，塑性變形集中，導致鈦合金對缺口更為敏感。
2.4斷口分析
圖9為1#~5#試樣起裂位置附近斷口的SEM形貌，試樣斷口特征主要為韌窩，在3#，4#，5#試樣中觀察到二次裂紋。不同表面狀態試樣的斷裂形式均為微孔聚集斷裂，表明雖然引入了缺口，存在應力集中，但缺口處仍然發生塑性變形，表現為延性斷裂。
圖10為1#~5#試樣斷口側面的顯微組織形貌，晶粒經歷過變形，產生一些碎化，1#，2#和3#試樣碎化較輕微，4#和5#試樣晶粒碎化更嚴重，并且在1#試樣中觀察到一些孿晶。根據統計，1#~5#試樣中均存在大量的2°~5°的小角度晶界，晶界數量隨表面質量的下降及缺口尺寸的增加呈下降趨勢，小角度晶界的數量越多，試樣變形越嚴重。
3、 結論
(1)表面拋光試樣的抗彎強度最大，表面打磨及缺口試樣的抗彎強度略有降低，表明鈦合金應變強化能力較弱，沒有明顯的缺口強化效應，缺口尺寸對試樣的抗彎強度影響較小，即抗彎強度對缺口不敏感。斷裂應變隨著表面質量的下降及缺口尺寸的增加迅速減小，缺口產生應力集中時，應變強化影響的范圍小，塑性變形集中，導致鈦合金塑性對其表面狀態十分敏感。
(2)利用DIC分析了不同表面狀態試樣的變形情況，應力集中程度越大的試樣，變形區域越小，斷裂前的應變也越小，表明材料容易斷裂。
(3)斷口分析結果表明：Ti80合金主要斷裂形式為韌窩斷裂，并存在大量的小角度晶界，晶界數量隨表面質量的下降及缺口尺寸的增加呈下降趨勢。
作者：高琛，徐魁龍，王磊，蔡海琛
單位：中國船舶集團有限公司第七二五研究所
來源：《理化檢驗-物理分冊》2023年第8期
