文 献 综 述

1.工业纯钛的应用背景

钛是一种过渡金属，重量轻、强度高、无磁性、具有银白色的金属光泽，有良好的抗腐蚀能力^[1]。其合金的比强度高、耐热性好、具有良好的抗腐蚀性能和较强的断裂韧性，弥补了普通结构材料比强度与断裂韧性不可兼得的缺点^[2,3]。因此，钛已经成为了工业上最重要的金属之一，被广泛应用在航空航天、化工石化、海洋工程等领域。根据杂质的含量，钛分为高纯钛（纯度达99.9%）和工业纯钛（纯度达99.5%）。金属钛中杂质的含量对其性能的影响很大，少量的杂质可提高钛的强度，故工业纯钛强度较高。工业纯钛是指含有少量氧、氮、碳及铁和其他残余杂质的致密金属钛^[2]，主要用于制造350℃以下温度工作的石油化工用热交换器、反应器、化纤设备、排烟脱硫设备、燃料电池、尿素设备、船舰零件、飞机蒙皮、隔热板、汽轮机叶片等装置^[4]。

工业纯钛按其杂质元素含量的不同，可分为不同的级别^[2]。在我国，工业纯钛被分为四级，即TA0、TA1、TA2、TA3^[5]。这四种工业纯钛的间隙元素是逐级增加的，机械强度及硬度也随着逐级增加，但塑性逐级降低。工业上常用作耐蚀材料的钛合金是TA2，这种钛合金的耐蚀性能和综合机械性能适中，应用广泛。对耐磨和强度要求较高时可采用TA3^[2]。

随着工业的迅速发展，工业纯钛的应用范围不断拓宽，因此要更加全面的了解工业纯钛的力学性能，来为其广泛应用提供理论和实验的依据。国内外已经对工业纯钛的力学性能作了大量的研究，包括过载、加载频率以及不同温度下的行为，但工业纯钛在一定的预应变量下的力学性能还未得到充分的研究以及定量的结果^[6]。大量工程结构中，金属材料都要经受预应变处理。目前，通常取无残余塑性变形的材料的断裂韧性，作为产品设计以及对缺陷进行安全评定的断裂韧性指标，但实际上很多裂纹是在材料受到一定的预应变后产生的，可能有潜在的安全系数没有被考虑^[7]。同时，国内外对于预应变对金属材料疲劳裂纹扩展速率的影响方面的研究较少，很有必要研究预应变对材料断裂韧性和疲劳裂纹扩展速率的影响。因此，本课题以工业纯钛TA2为对象，将受到一定拉伸预应变量的板状试样，加工成用来测断裂韧性和疲劳裂纹扩展试验的紧凑拉伸C(T)试样，通过试验研究预应变对工业纯钛的断裂韧性和疲劳裂纹扩展行为的影响。

2.断裂韧性研究

2.1断裂韧性

断裂韧性是指金属材料抵抗脆性破坏的韧性参数，也是金属材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量。它是金属材料的固有特性，和裂纹本身的大小、几何形状及外加应力大小无关。断裂韧性常用断裂前物体所吸收的能量或外界对物体所作的功表示，是应力强度因子的临界值^[8]。

2.2断裂韧性参数

(1)临界应力强度因子K_ⅠC：对于含长度为2a的中央穿透裂纹的”无限大”平板，承受远程拉应力s时，Irwin^[9]在美国海军研究实验室和Williams^[10]在加州技术研究所获得具有相同首项的裂纹附近应力场：