挤压蠕变及蠕变疲劳对Ti-6Al-4V ELI钛合金室温力学行为的影响

《Journal of Materials Research and Technology》：Influence of compressive creep and creep fatigue on mechanical behavior of Ti-6Al-4V ELI titanium alloy at room temperature

　　

Ti-6Al-4V ELI钛合金是深海耐压结构的关键材料。本文研究了压缩蠕变及蠕变疲劳对其力学行为的影响，并探讨了压缩蠕变疲劳的本构模型。结果表明，在?879 MPa下经历200 h压缩蠕变后，Ti-6Al-4V ELI钛合金的拉伸屈服强度显著下降，由831 MPa降至703 MPa，降幅为15.4%；压缩屈服强度升高，由879 MPa增至972 MPa，增幅为10.5%；裂纹扩展速率略低于初始材料。在蠕变应力为?882.9 MPa、蠕变时间为1.5 min、循环20,002次及蠕变时间为5 min、循环5,085次的压缩蠕变疲劳后，Ti-6Al-4V ELI钛合金的拉伸屈服强度显著下降，分别由853 MPa降至587 MPa和553 MPa，降幅分别为31.2%和35.2%。电子背散射衍射（EBSD）观察表明，孪生是导致Ti-6Al-4V ELI钛合金累积塑性变形的重要因素，但在压缩蠕变疲劳过程中未观察到微裂纹。此外，本文针对压缩蠕变疲劳提出了总应变随加载循环变化的本构模型，该模型与Ti-6Al-4V ELI钛合金的实验数据吻合良好。

**论文解读：压缩蠕变及蠕变疲劳对Ti-6Al-4V ELI钛合金室温力学行为的影响**

**一、研究背景与科学问题**

钛合金因其低密度、高强度与优异的耐腐蚀性能，是深海耐压结构的关键材料。深海装备在服役过程中通常需要经历下潜—巡航—上浮的多次循环过程，其耐压结构相应地会受到低温（2～4°C）环境下的压缩蠕变与压缩蠕变疲劳载荷作用。已有研究(Yan等)表明，Ti-6Al-4V ELI合金的压缩蠕变主要机制为{101?0}〈112?0〉柱面滑移；Wang等对具有双态和网篮组织的TC4 ELI钛合金压缩蠕变行为的研究表明，可通过对Norton模型进行修正来描述初始蠕变和稳态蠕变阶段的蠕变本构关系；Guo等通过不同加载方式和试样类型对Ti-6Al-4V钛合金进行压缩蠕变试验，发现当蠕变应力水平较高时，加载方式和试样类型对蠕变应变-时间曲线有显著影响，并提出了概率-蠕变应变-时间(P-C-T)曲线以考虑试验蠕变曲线的分散性；Li等研究了预压缩对Ti80钛合金蠕变行为的影响，发现预蠕变有效提高了临界分辨剪切应力和位错运动阻力，从而提高了蠕变抗力；Sun等提出了蠕变阈值时间的概念及包含该参数的钛合金压缩蠕变本构模型，并发现间歇性压缩蠕变加载（即压缩蠕变疲劳）显著促进了钛合金压缩蠕变应变的累积。

然而，目前关于钛合金经历压缩蠕变或压缩蠕变疲劳后的强度、塑性及疲劳裂纹行为的研究结果甚少，也缺乏描述钛合金压缩蠕变疲劳累积（塑性）应变与加载循环关系的本构模型。此外，根据已有研究，钛合金在室温下的蠕变速率快于2～4°C，且深海环境用钛合金的蠕变行为已在室温下得到广泛研究。因此，为准确评估深海装备的服役安全性和可靠性，有必要开展压缩蠕变和压缩蠕变疲劳对深海耐压结构用Ti-6Al-4V ELI钛合金室温力学行为影响的研究。本研究旨在探究压缩蠕变对强度、塑性和裂纹扩展速率的影响，建立压缩蠕变疲劳本构模型，并通过电子背散射衍射(EBSD)技术研究压缩蠕变疲劳后的微观组织演变，分析其变形机制。该论文发表于《Journal of Materials Research and Technology》。

**二、主要关键技术方法**

研究人员采用了以下关键技术方法开展研究：（1）压缩蠕变试验：在拉压综合试验机上对大型试样施加?879 MPa的压缩蠕变应力，持续200 h，采用三枚应变片测量蠕变应变；（2）压缩蠕变疲劳试验：在模拟海水中对两种试样分别施加蠕变时间为1.5 min（20,002次循环）和5 min（5,085次循环）的压缩蠕变疲劳载荷，应力比10，最大应力?88.29 MPa，最小应力（蠕变应力）?882.9 MPa；（3）力学性能测试：依据中国国家标准，对蠕变和蠕变疲劳后的试样及初始材料进行拉伸试验和压缩试验，并对疲劳裂纹扩展试样进行裂纹扩展速率测试；（4）微观组织表征：采用配备EBSD设备（Gemini SEM 300）的扫描电子显微镜，对压缩蠕变疲劳后试样横截面和纵截面进行微观组织观察，分析相组成、晶界分布、孪晶分布、晶粒取向和局部取向差(KAM)。试验材料取自Ti-6Al-4V ELI钛合金厚板。

**三、主要研究结果**

**3.1 压缩蠕变行为**

在?879 MPa压缩蠕变应力下，Ti-6Al-4V ELI钛合金表现出显著的压缩蠕变特性，蠕变应变随时间的增加而增大。研究还发现，即使在相同的压缩蠕变应力下，试样不同位置的蠕变变形可能存在显著差异，这归因于材料微观组织的不均匀性（如织构差异），与已有报道中不同试样在相同蠕变加载条件下蠕变应变-时间曲线存在显著差异的结果一致，表明研究压缩蠕变行为时需采用统计分析方法来表征材料的蠕变特性。

**3.2 压缩蠕变对力学行为的影响**

**3.2.1 强度与塑性**

与初始材料相比，经历200 h压缩蠕变后，Ti-6Al-4V ELI钛合金的抗拉强度略有升高（平均值由879 MPa增至895 MPa），但拉伸屈服强度显著降低（平均值由831 MPa降至703 MPa，降幅15.4%）；压缩屈服强度显著提高（平均值由879 MPa增至972 MPa，增幅10.5%）。此外，压缩蠕变后材料的塑性变形能力降低。

**3.2.2 不对称力学响应机制**

从微观角度分析，压缩蠕变过程中位错逐渐累积，累积位错产生反向应力（背应力），阻碍位错进一步运动，使材料继续变形越来越困难，因此压缩屈服强度提高。相反，当承受拉伸载荷时，压缩蠕变中累积位错产生的背应力成为“助推器”，促进位错运动，因此拉伸屈服强度降低。

**3.2.3 裂纹扩展速率与断裂韧性**

压缩蠕变后，Ti-6Al-4V ELI钛合金在5×10??～5×10?? m/cyc范围内的裂纹扩展速率略低于初始材料，表明压缩蠕变可提高疲劳裂纹扩展抗力。机理可能归因于累积位错产生的背应力在拉应力下促进位错运动和塑性变形，抑制了裂纹扩展。断裂韧性测试虽未获得有效的K_IC值，但所测K_Q值表明压缩蠕变后断裂韧性存在略低于初始材料的趋势。

**3.3 压缩蠕变疲劳行为**

**3.3.1 压缩蠕变疲劳本构模型**

在模拟海水中，蠕变应力为?882.9 MPa、蠕变时间为1.5 min和5 min的条件下，Ti-6Al-4V ELI钛合金的总应变均随压缩蠕变疲劳循环次数的增加而增大。初始阶段总应变随循环次数增加而快速增长，随后增长速率逐渐降低，该变化特征与蠕变时间无关。基于此，研究人员提出了描述总应变与加载循环关系的压缩蠕变疲劳本构模型。与幂律模型相比，该模型的确定系数为0.962～0.996，显著优于幂律模型的0.871～0.920，残差分析同样表明该模型优于幂律模型。

**3.3.2 压缩蠕变疲劳的蠕变速率**

通过对本构模型求导，获得了压缩蠕变疲劳下总应变率与循环次数的关系。在初始若干个循环内，总应变率随循环次数增加而迅速下降；幂律模型的总应变率随循环次数增加逐渐减小，而所提出模型的总应变率在若干循环后变为零，即存在蠕变疲劳循环阈值，超过该阈值后总应变不再增加。

**3.4 压缩蠕变疲劳对力学行为的影响**

**3.4.1 强度与塑性**

模拟海水中压缩蠕变疲劳后，Ti-6Al-4V ELI钛合金的抗拉强度变化不明显，但拉伸屈服强度显著下降：由853 MPa分别降至587 MPa（蠕变应力?882.9 MPa，蠕变时间1.5 min，20,002 cyc）和553 MPa（蠕变应力?882.9 MPa，蠕变时间5 min，5,085 cyc），降幅分别为31.2%和35.2%。压缩蠕变疲劳后塑性显著劣化。其中，5,085 cyc试验后的强度指标均低于20,002 cyc试验后，断后伸长率也略小。参照文献[19]的能谱分析结果（空气中与模拟海水中疲劳试样断口和侧表面无显著元素差异），可忽略模拟海水环境对拉伸性能的影响。

**3.4.2 压缩蠕变疲劳后的微观组织演变**

EBSD观察发现，压缩蠕变疲劳后Ti-6Al-4V ELI钛合金α晶粒内存在形变孪晶，经HKL CHANNEL5软件标定为拉伸孪晶({101?2}〈101?1〉)，表明压缩蠕变疲劳下的累积塑性变形与形变孪晶的形成有关。晶界处发现的少量孪晶应是在材料制备过程中形成的，与压缩蠕变疲劳无关。两种压缩蠕变疲劳试验后的局部横截面和纵截面样品中均未观察到微裂纹。结合已有研究，位错滑移和孪生仍是钛合金压缩蠕变疲劳变形的主要机制。

**四、结论翻译与总结**

本文研究了压缩蠕变（蠕变应力?879 MPa，蠕变时间200 h）和压缩蠕变疲劳（蠕变应力?882.9 MPa，蠕变时间1.5 min、20,002 cyc；蠕变应力?882.9 MPa，蠕变时间5 min、5,085 cyc）对深海耐压结构用Ti-6Al-4V ELI钛合金力学行为的影响，主要结论如下：

(1) 压缩蠕变后，Ti-6Al-4V ELI钛合金的抗拉强度略有提高，拉伸屈服强度显著降低，由831 MPa降至703 MPa，降幅15.4%；压缩屈服强度提高，由879 MPa增至972 MPa，增幅10.5%。压缩蠕变后，裂纹扩展速率略低于初始材料，K_Q值为81.8 MPa·m^1/2，略低于初始材料的85.2 MPa·m^1/2。

(2) 压缩蠕变疲劳后，Ti-6Al-4V ELI钛合金的抗拉强度几乎不变，但拉伸屈服强度显著降低，由853 MPa分别降至587 MPa（蠕变应力?882.9 MPa，蠕变时间1.5 min，20,002 cyc）和553 MPa（蠕变应力?882.9 MPa，蠕变时间5 min，5,085 cyc），降幅分别为31.2%和35.2%。塑性显著劣化。进一步观察发现，压缩蠕变疲劳后α晶粒内存在形变孪晶，表明钛合金的累积塑性变形与压缩蠕变疲劳过程中形变孪晶的形成有关。

(3) 提出了压缩蠕变疲劳本构模型，该模型能很好地描述Ti-6Al-4V ELI钛合金压缩蠕变疲劳的总应变和总应变率与蠕变疲劳循环次数的关系。

本文结果表明，经历一定时间的压缩蠕变或一定次数的压缩蠕变疲劳加载后，钛合金结构的极限承载能力和安全评估应考虑材料力学性能的变化。