摘 要

稀有金属钛具有耐腐蚀性，重量轻，强度高等优点。现在被广泛的运用于发电站、航空航天、海水淡化、化工，食品甚至医疗等领域。由于钛具有优良的特性，也被广泛运用于压力容器制造领域。事实表明疲劳是压力容器失效的最主要原因。因此对工业纯钛（TA2）进行疲劳裂纹扩展速率的研究非常有意义。
本文主要以TA2为研究对象，对TA2进行了拉伸实验，温度和应力比对其疲劳裂纹扩展速率的影响实验，以及金相与断口分析实验。

通过拉伸实验得到了TA2的抗拉和屈服强度以及弹性模量等力学性能，发现随着温度的升高，TA2的抗拉强度，屈服强度以及弹性模量都显著下降，且呈现一定的线性负相关性。

通过疲劳裂纹扩展实验，研究了温度以及应力比对疲劳裂纹扩展速率的影响，研究发现温度和应力比与疲劳裂纹扩展速率呈现一定的正相关性。通过拟合还得到了试样Paris公式中的C和m，发现不同温度下C和m具有一定的规律：温度升高，C值先减小后增大，m值先增大后减小。室温下不同应力比时疲劳裂纹扩展参数C和m反而是C值先增大后减小，m值先减小后增大，其变化规律正好与高温下C于m参数变化规律相反。

通过金相与断口分析实验，可以看出母材区域内为α等轴晶组织，晶粒较细，平均晶粒尺寸约为73.6μm，断口处可见明显的疲劳裂纹和韧窝，塑性断裂特征明显。

关键词： TA2 疲劳裂纹扩展速率 高温 应力比

ABSTRACT

Titanium is a very rare metal. It is characterized by its strong corrosion resistance, light weight, and high specific strength. Now it is widely used in power stations, aerospace, desalination, chemicals, food and even medical fields. Due to the excellent properties of titanium, it is also widely used in pressure vessel manufacturing. The facts show that fatigue failure of pressure vessels is one of important failure forms. Therefore, it is very meaningful to study the fatigue crack growth rate of industrial pure titanium (TA2).

In this thesis, the TA2 is as the research object. TA2 tensile experiment, fatigue crack growth rate of the experiment under different temperatures and stress ratios, and the metallographic and fracture analysis experiment were performed.

Tensile strength, yield strength and elastic modulus of TA2 were obtained through tensile tests. It is found that the tensile strength, yield strength and elastic modulus of TA2 are all significantly decrease with the temperature rise, and the tensile strength is shown to be the linear negative correlation.

Through fatigue crack growth experiment, the effect of temperature and stress ratio on the fatigue crack growth rate was studied. It is showen that the temperature and stress ratio have a positive correlation with the fatigue crack growth rate. The C and m in the Paris formula of the sample were also obtained by fitting. It is found that C and m have certain rules at different temperatures. When the temperature rises, the C value decreases first and then increases, and the m value increases first and then decreases. At room temperature and different stress ratios, the fatigue crack growth parameters C value increase first and then decrease. m value decreases first and then increases. The change rule is just opposite to the change rule of C and m parameters at different high temperatures.

Through the metallographic and fracture analysis experiment, it can be seen that the area of base metal is α equiaxed grain structure, the grain is fine where the average grain size is about 73.6 μm. Obvious fatigue cracks and dimples can be seen at the fracture appearance, and the plastic fracture characteristics are obvious.

Keywords: TA2 fatigue crack propagation rate high temperature stress ratio

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

目 录 IV

第一章 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 国内与国外研究现状 1

1.2.1 国内研究现状 1

1.2.2 国外研究现状 2

1.3 本文主要研究内容及研究手段 3

1.3.1 研究内容 3

1.3.2 研究手段 3

第二章 TA2力学性能测试 5

2.1 试验材料及实验设备 5

2.1.1 试验材料 5

2.1.2 实验设备 5

2.2 拉伸实验 5

2.2.1 实验过程 5

2.2.2 实验结果 8

2.3 本章小结 11

第三章 温度对TA2疲劳裂纹扩展的影响 12

3.1 试验材料及实验设备 12

3.1.1 试验材料 12

3.1.2 实验设备 12

3.2 实验步骤与数据处理 13

3.2.1 实验步骤 13

3.2.2 数据处理 13

3.3 实验结果. 14

3.3.1 a-N曲线 14

3.3.2 da/dN-ΔK曲线 15

3.3 本章小结. 16

第四章 应力比对TA2疲劳裂纹扩展的影响 17

4.1 实验结果 17

4.1.1 a-N曲线 17

4.1.2 da/dN-ΔK曲线 19

4.2 本章小结. 22

第五章 TA2金相与断口分析 23

5.1 金相实验 23

5.1.1 实验设备 23

5.1.2 实验操作过程 23

5.1.3 实验结果 24

5.2 断口分析实验 25

5.2.1 实验设备 25

5.2.2 实验结果 26

5.2 本章小结. 28

第六章 总结 29

参考文献 30

致谢 33

第一章 绪论

1.1 课题背景

随着科学技术的不断提高，金属的高温疲劳断裂问题越发受到人们的关注。社会经济开始走向集约发展型的道路，更加使得新型工业朝着高温、高压和大型化发展，设备要求的工作条件和安全可靠性也变得更加严格，迫切的需要对金属材料高温疲劳问题进行深入探讨和研究。工业纯钛刚好是目前工业发展必不可少的材料，因此对工业纯钛的研究无疑对我国工业发展是有很大帮助。

1.2 国内与国外研究现状

1.2.1 国内研究现状

对于工业纯钛高温疲劳裂纹扩展的研究目前来说在我国进行的还不是特别多，只有部分学者做了其高温力学性能的研究。另外，对于一些典型金属材料高温疲劳裂纹扩展的研究较为深入，其中温度、氧化以及频率为主要影响因素。

相关图片展示：