疲劳裂纹扩展行为的研究现状及钛合金的疲劳裂纹扩展特征
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Ｅ－ ｍａｉｌ： ｗｕｈｕａｎ２７＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ
综合评述
２ １９８４ 年 Ｓ． Ｓｕｒｅｓｈ 等人就指出［１］，“裂纹闭合”不是一
Ｖｏｌ． ２６， Ｎｏ． ７， ２００７
个力学参数， 它受构件形状、载荷、环境和裂纹长
度等因素的影响。因此， 除非在实际使用过程中测
量构件的裂纹闭合情况， 否则在实验室里做出来的
结果可完全适用于工程中对含缺陷构件裂纹扩展寿 使裂纹扩展表达式更能直观的表现出影响裂纹扩
命的预测。
展的具体内在因素。比如， 研究温度对材料裂纹扩
根据疲劳裂纹扩展的一般特性， ｄａ／ｄＮ（ 裂纹扩 展的影响时， Ｆ． Ｊｅｇｌｉｅ［２６］考虑到在温度变化条件下的
展速率） 和 ΔＫ 的关系如图 １ 所示。除了可以用Ｐａｒｉｓ－ 裂 纹 扩 展 是 一 种 具 有 体 扩 散 机 制 的 热 激 活 过 程 ，
ΔＫ 增大到超过界限应力 后 ， 裂 纹 扩 展 机 制 就 会 发 有影响［３８］。此外， 即使合金成分相同、热处理状态相
生变化， 由劈裂机制向条纹机制转变， 相当于单滑 同， 在不同裂纹扩展阶段氧的影响程度也不相同。
移向多滑移转变。然而， 转变点和变化机理是随着 Ｆｅｒｇｕｓｏｎ 等人的试验结果表明［３９］， 降低合金的氧含量，
Ｂｊｅｌｅｔｉｃｈ， Ｃｈｅｓｎｕｔｔ 等人［３４， ３５］对 Ｔｉ－ ６Ａｌ－ ４Ｖ 合金的 高温疲劳性能进行了研究。结果发现， 试验温度的 变化并不一定会对合金的疲劳裂纹扩展速率产生影 响， 但是当温度有影响时， 它是随频率、载荷比 和显微组织的变化而变化的。这主要是因为温度可 以对材料位错运动、动态应变时效、弹性模量或合 金的氧化产生影响， 从而导致蠕变－ 疲劳对裂纹扩展 速率产生影响。值得一提的是， 所有关于高温对钛合 金裂纹扩展的研究工作， 基本都是从这一理论出发着 手进行的， 如文献［３６］和［３７］。由于钛的活性高， 它非 常容易和氧发生反应， 因此， 氧对钛合金疲劳性能 的影响一直是人们关注的问题。高温环境下， 构件表
材料疲劳扩展行为的一个重要目的。然而， 材料 测。另外， 该“模型”认为的“裂纹尖端的钝化是
的疲劳裂纹扩展研究涉及了力学、材料、机械设 在拉应力达到最大值时完成的”这一观点在理论上
计与加工工艺等诸多学科， 材料、载荷条件、使 不妥， 也与实测结果不符。观察结果表明， 裂纹尖
用环境等诸多因素都对疲劳破坏有着显著的影响， 端钝化是一个渐进的过程， 钝化半径与外载荷大小
Ｅｒｄｏｇａｎ 公式分 ３ 个区域分别描 述 这 种 关 系 外 ， 还 Ｐａｒｉｓ－ Ｅｒｄｏｇａｎ 公 式 中 的 Ｃ 和 ｎ 应 该 是 激 活 能 的 函
可以利用已有的模型表达全范围的 ｄａ／ｄＮ － ΔＫ 关 数， 从而提出了改进的裂纹扩展表达式（ １） ， 并且认
系， 如三分量模型和反双曲正切模型［２４］。
境［１１， １２］、 载荷波形［１３］以及随机因素［１４］在对裂纹扩展行 已形成了很多较成熟的理论表达式和测试方法， 但
为的影响； ② 通过建立各种数学模型对裂纹扩展的 应用 最 为 广 泛 的 还 是 Ｐａｒｉｓｅ－ Ｅｒｄｏｇａｎ 公 式（ ｄａ／ｄＮ ＝
寿命进行估算［１５￣１７］， 对裂纹扩展曲线进行拟合［１８］， 对各 Ｃ（ ΔＫ） ｎ） 、Ｆｏｒｍａｎ 方 程 ｄａ／ｄＮ ＝ ［Ｃ（ΔＫ）ｎ ］ ／ （［ １－ Ｒ）
面的氧化会对疲劳裂纹扩展产生影响， 材料内部的 氧也会因具体钛合金材料、热处理方式不同而产生 不同的影响， 但这种影响又随着氧含量的变化而变 化。比如Ｃｈｅｒｉｓｅ 等人研究发现， 在温度≤２９ ℃时， 氧含量变化都会对 β退火态 ＴＣ４ 合金疲劳裂纹扩展 速率产生影响， 但是在再结晶退火温度下， 氧含量 在０．０８２％￣０．９５％之 间 变 化 对 裂 纹 扩 展 速 率 基 本 上 没
１９ 世纪 ４０ 年代随着断裂力学的兴起， 人们对 是否正确， 却一直在人们的验证和争论之中。
于材料疲劳寿命的研究重点逐渐由不Βιβλιοθήκη Baidu虑裂纹的
根据现有的研究结果， 有学者提出， 若按照
传统疲劳转向了主要考察裂纹扩展的断裂疲劳。 “塑性钝化模型”理论， 强度高的材料应具有较低
尽量准确地估算构件的剩余疲劳寿命是人们研究 的裂纹扩展速率， 但实验结果却不能证实这一预
纹扩展问题的方法和理论。
用于工程中等问题也一直在人们的争论之中。由于
２ 疲劳裂纹扩展研究现存问题
“裂纹闭合效应” 理论推出的结论是：“对载荷比的 依赖性不是材料的内在行为， 而是源于裂纹表面提
如今， 人们在分析材料裂纹扩展问题时最常用 前闭合后应力强度因子幅（ ΔＫ） 的变化”， 所以早在
收稿日期： ２００７－ ０４－ ２８ 作者简介： 吴 欢， 女， １９７５ 年生， 博士生， 西北有色金属研究院， 陕西 西安 ７１００１６， 电话： ０２９－ ８６２３１０７８，
是平面应力条件下， 在裂纹张开过程中产生的塑
虽然用全范围的 ｄａ／ｄＮ－ ΔＫ 关系可以更加精确
性 区 不 能 导 致 裂 纹 的 闭 合 ”， 并 且 指 出 ， 由 表 面 地预测含缺陷构件的裂纹扩展寿命， 但一般计算零
粗糙度、氧化等因素导致的裂纹的提前闭合虽然 件的疲劳寿命时， 只考虑裂纹稳定扩展的第二阶段
影响参数（ 如疲劳裂纹扩展门槛值） 和裂纹扩展速率的 关 系 进 行 描 述 ； ［１９￣２１］ ③ 疲 劳 变 形 机 理［２２， ２３］和 小 裂 纹
ＫＩＣ－ ΔＫ］， 以 及 由 郑 修 麟 教 授 和 Ｈｉｒｔ 教 授 提 出 的 考 虑 了 裂 纹 扩 展 门 槛 值 的 裂 纹 扩 展 速 率 方 程 ｄａ／ｄＮ＝
图 １ 疲劳裂纹扩展速率 ｄａ／ｄＮ 随应力强度因子幅ΔＫ变化示意图 Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｆａｔｉｇｕｅ－ ｃｒａｃｋ ｇｒｏｗｔｈ ｒａｔｅ ｄａ／ｄＮ
ａｓ ａ ｆｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｓｔｒｅｓｓ－ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙｒａｎｇｅ ΔＫ
为表观激活能 Ｑ＝Ｑ０－ Ｃ２ｌｎΔＫ 可由每一个恒定 ΔＫ 下
２００７ 年 ２６ 卷第 ７ 期
稀有金属快报 ３
的 ｌｇ（ｄａ／ｄＮ） － １／Ｔ 关 系 曲 线 的 斜 率 求 出 。
很多在显微组织对裂纹扩展影响方面的研究结
ｄａ ｄＮ
＝Ｃ１（ΔＫ
）ｎ
ｅｘｐ
Ｑ０－
Ｃ２ ｌｎΔＫ ＲＴ
（ １）
式 中 ， Ｃ１ 和 Ｃ２ 为 常 数 ， Ｔ 为 温 度 ， Ｒ 为 气 体 普 适 常 数 ， Ｑ０ 为 体 扩 散 激 活 能 。 如 果 进 一 步 考 虑 高 温 下 材 料 的 蠕 变 对 裂 纹 扩 展 的 影 响 ， 还 可 借 助 于 Ｇ．
Ａ． Ｗｅｂｓｔｅｒ 基 于 弹 塑 性 断 裂 力 学 中 Ｊ 积 分 的 概 念
提出的， 控制蠕变裂纹扩展速率的断裂力学参数
Ｃ＊［２７］来 分 析 。 由 于 Ｃ＊ 具 有 明 确 的 物 理 意 义 ， 因 此
在许多蠕变裂纹扩展过程中得以应用， 并且能获得
良好的效果。
从上述的裂纹扩展模型看到， 当载荷条件和工
“塑性钝化模型”和“裂纹闭合效应”与实际观察结果存在的矛盾。最后， 对钛合金疲劳裂纹扩展研究的内容和研
究结果进行了概述。
关键词： 疲劳； 裂纹扩展速率； 应力比； 钛合金
中图法分类号： Ｏ３４６．２＋３
文献标识码： Ａ
文章编号： １００８－ ５９３９（ ２００７） ０７－ ００１－ ０６
１ 前言
到的是“塑性钝化模型”和裂纹尖端因“反向塑性 区”等原因导致的“裂纹闭合效应”理论。而它们
试验结果不能用来预测构件中的裂纹扩展速率。
１９７０ 年 ， Ｒｉｔｃｈｉｅ 研 究 钢 中 裂 纹 扩 展 的 近 门 槛 值 时
发现： 在真空环境下， 应力比 Ｒ 对门槛值几乎没有
影响［２］， 首 度 质 疑 了 裂 纹 闭 合 的 存 在 性 和 所 起 的 作用。在前人研究的基础上， 美国海军实验室 的 Ｋ． Ｓａｄａｎａｎｄａ 和 Ａ．Ｋ．Ｖａｓｕｄｅｖａｎ 等 人 经 过 多 年 的 研 究 ［３， ４］， 从 理 论 上 证 明 了 “ 不 论 在 平 面 应 变 还
这给研究工作带来了极大困难。正因为此， 虽然 成正比。
对于疲劳的研究取得了大量有意义的研究成果，
而疲劳裂纹在扩展过程中的“裂纹闭合效应”
但仍有很多问题存在着争议， 很多学者还在不断 在什么情况下存在， 能否对材料的裂纹扩展速率产
的研究和探讨， 力求得到更加准确的解决疲劳裂 生重要影响， 考虑“裂纹闭合”的实验室数据能否
存在， 但在大部分情况下对裂纹尖端应力只有小 已完全能够满足实际需要， 只有对于核动力设备之
的 影 响 ［５］。
类的设计中， 才需要做非常精确的计算。因此， 大
３ 现有研究方法和常用理论模型
部分文献中的研究工作都是针对构件中由拉应力控 制的裂纹扩展的第二阶段进行的， 也就是研究裂纹
近 ２０ 年来， 我国在 材 料 疲 劳 裂 纹 扩 展 领 域 的 的亚临界扩展行为。
研究主要以实际应用为背景， 针对广泛应用的各种
现有的疲劳裂纹扩展的定量模型都是建立在连
合金钢和铝合金进行。研究内容主要包括： ① 材料 续介质力学基础上。在线弹性范围内， 可以用应力
组织、力学性能［６￣８］、应力比［９］、低温环境［１０］、盐水环 强 度 因 子 来 描 述 应 力－ 应 变 场 的 全 部 特 征 。 对 此 ，
出现了裂纹扩展机制的转变， 但也有人发现［２９］， 在 显的影响。Ｃｈｅｓｎｕｔｔ 等人研究了氢含量对 Ｔｉ－ ６Ａｌ－ ４Ｖ
的 扩 展 机 理［２４］。 在研究方法上， 人们通常使用线弹性断裂力学
Ｂ（ ΔＫ－ ΔＫｔｈ） ［２５］。这 ３ 个方程都可以很好的对裂纹在 第二阶段的扩展特性进行描述， 但也有一部分科
方法来研究裂纹的扩展问题。实践证明， 对绝大部 学家进一步将应力比、温度、频率等因素对材料
分材料而言， 用这种方法处理的裂纹扩展速率试验 裂纹扩展的影响转化为一些表示具体含义的参数，
２００７ 年 ２６ 卷第 ７ 期
稀有金属快报 １
疲劳裂纹扩展行为的研究现状及钛合金 的疲劳裂纹扩展特征
吴 欢， 赵永庆， 曾卫东
（ 西北有色金属研究院， 陕西 西安 ７１００１６）
摘 要： 疲劳裂纹扩展行为是现代材料研究中重要的内容之一。论述了组织结构、环境温度、腐蚀条件以及载荷
应力比、频率变化对材料疲劳裂纹扩展行为的影响。总结出疲劳裂纹扩展研究的常用方法和理论模型， 并讨论了
成分或成分相同但组织不同也会表现出完全不同的
裂纹扩展特性。
果表明， 钛合金 β相相对含量的变化会使钛合金具 有 本 质 不 同 的 疲 劳 裂 纹 扩 展 特 性 。 β转 变 组 织 以 及 再结晶退火型热循环有利于裂纹扩展的改善。双态 组织、等轴组织、片层组织钛合金的裂纹扩展阻力取 决于晶粒或条束以及片层的尺寸［３１，３２］。 通过对Ｔｉ－ ６Ａｌ－ ４Ｖ 合金的研究还发现， β退火态组织钛合金的疲劳裂 纹扩展速率一般来讲最低， 而轧制退火态组织的裂 纹扩展速率最高［３３］。
试验的条件变化而变化的。在对 Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ 合金的研究 能够提高疲劳裂纹的扩展抗力， 但当 ΔＫ＞１１ ＭＰａ·ｍ１／２
工作中， Ｙｕｅｎ 等人［２８］指出上述两种扩展机制在 ΔＫ 时， 这些氧的影响仅在统计学上具有意义［３９］。相似
约为 ４ ＭＰａ·ｍ１／２ 及塑性区尺寸大约等于 α晶粒尺寸时 地， 氢含量以及吸氢也会对钛合金的裂纹扩展有明
作环境发生变化时， 材料的裂纹扩展速率就会发生
变化。为了能较准确地估计出含裂纹构件的疲劳寿
命， 需要对构件材料裂纹扩展行为的变化规律有一
定的了解。但作者总结了以往对铝、钢、钛等金属
材料的裂纹扩展行为研究结果发现， 相同的载荷和
环境变化对不同材料的裂纹扩展行为的影响程度差
别很大； 即使是同一种材料（ 比如钛合金） ， 不同的
４ 钛合金的疲劳裂纹扩展特征
钛合金的疲劳裂纹扩展（ ＦＣＰ） 特性类似于断裂 韧性， 提供最高断裂韧度的那些条件同时也使裂纹 循环增长率最低。和铝及铝合金不同， 强度也有可 能 成 为 影 响 甚 至 控 制 钛 合 金 ＫＩＣ 和 ＦＣＰ 的 附 加 变 量。此外钛合金也具有和其它合金相同的特性： 当
综合评述
２ １９８４ 年 Ｓ． Ｓｕｒｅｓｈ 等人就指出［１］，“裂纹闭合”不是一
Ｖｏｌ． ２６， Ｎｏ． ７， ２００７
个力学参数， 它受构件形状、载荷、环境和裂纹长
度等因素的影响。因此， 除非在实际使用过程中测
量构件的裂纹闭合情况， 否则在实验室里做出来的
结果可完全适用于工程中对含缺陷构件裂纹扩展寿 使裂纹扩展表达式更能直观的表现出影响裂纹扩
命的预测。
展的具体内在因素。比如， 研究温度对材料裂纹扩
根据疲劳裂纹扩展的一般特性， ｄａ／ｄＮ（ 裂纹扩 展的影响时， Ｆ． Ｊｅｇｌｉｅ［２６］考虑到在温度变化条件下的
展速率） 和 ΔＫ 的关系如图 １ 所示。除了可以用Ｐａｒｉｓ－ 裂 纹 扩 展 是 一 种 具 有 体 扩 散 机 制 的 热 激 活 过 程 ，
ΔＫ 增大到超过界限应力 后 ， 裂 纹 扩 展 机 制 就 会 发 有影响［３８］。此外， 即使合金成分相同、热处理状态相
生变化， 由劈裂机制向条纹机制转变， 相当于单滑 同， 在不同裂纹扩展阶段氧的影响程度也不相同。
移向多滑移转变。然而， 转变点和变化机理是随着 Ｆｅｒｇｕｓｏｎ 等人的试验结果表明［３９］， 降低合金的氧含量，
Ｂｊｅｌｅｔｉｃｈ， Ｃｈｅｓｎｕｔｔ 等人［３４， ３５］对 Ｔｉ－ ６Ａｌ－ ４Ｖ 合金的 高温疲劳性能进行了研究。结果发现， 试验温度的 变化并不一定会对合金的疲劳裂纹扩展速率产生影 响， 但是当温度有影响时， 它是随频率、载荷比 和显微组织的变化而变化的。这主要是因为温度可 以对材料位错运动、动态应变时效、弹性模量或合 金的氧化产生影响， 从而导致蠕变－ 疲劳对裂纹扩展 速率产生影响。值得一提的是， 所有关于高温对钛合 金裂纹扩展的研究工作， 基本都是从这一理论出发着 手进行的， 如文献［３６］和［３７］。由于钛的活性高， 它非 常容易和氧发生反应， 因此， 氧对钛合金疲劳性能 的影响一直是人们关注的问题。高温环境下， 构件表
材料疲劳扩展行为的一个重要目的。然而， 材料 测。另外， 该“模型”认为的“裂纹尖端的钝化是
的疲劳裂纹扩展研究涉及了力学、材料、机械设 在拉应力达到最大值时完成的”这一观点在理论上
计与加工工艺等诸多学科， 材料、载荷条件、使 不妥， 也与实测结果不符。观察结果表明， 裂纹尖
用环境等诸多因素都对疲劳破坏有着显著的影响， 端钝化是一个渐进的过程， 钝化半径与外载荷大小
Ｅｒｄｏｇａｎ 公式分 ３ 个区域分别描 述 这 种 关 系 外 ， 还 Ｐａｒｉｓ－ Ｅｒｄｏｇａｎ 公 式 中 的 Ｃ 和 ｎ 应 该 是 激 活 能 的 函
可以利用已有的模型表达全范围的 ｄａ／ｄＮ － ΔＫ 关 数， 从而提出了改进的裂纹扩展表达式（ １） ， 并且认
系， 如三分量模型和反双曲正切模型［２４］。
境［１１， １２］、 载荷波形［１３］以及随机因素［１４］在对裂纹扩展行 已形成了很多较成熟的理论表达式和测试方法， 但
为的影响； ② 通过建立各种数学模型对裂纹扩展的 应用 最 为 广 泛 的 还 是 Ｐａｒｉｓｅ－ Ｅｒｄｏｇａｎ 公 式（ ｄａ／ｄＮ ＝
寿命进行估算［１５￣１７］， 对裂纹扩展曲线进行拟合［１８］， 对各 Ｃ（ ΔＫ） ｎ） 、Ｆｏｒｍａｎ 方 程 ｄａ／ｄＮ ＝ ［Ｃ（ΔＫ）ｎ ］ ／ （［ １－ Ｒ）
面的氧化会对疲劳裂纹扩展产生影响， 材料内部的 氧也会因具体钛合金材料、热处理方式不同而产生 不同的影响， 但这种影响又随着氧含量的变化而变 化。比如Ｃｈｅｒｉｓｅ 等人研究发现， 在温度≤２９ ℃时， 氧含量变化都会对 β退火态 ＴＣ４ 合金疲劳裂纹扩展 速率产生影响， 但是在再结晶退火温度下， 氧含量 在０．０８２％￣０．９５％之 间 变 化 对 裂 纹 扩 展 速 率 基 本 上 没
１９ 世纪 ４０ 年代随着断裂力学的兴起， 人们对 是否正确， 却一直在人们的验证和争论之中。
于材料疲劳寿命的研究重点逐渐由不Βιβλιοθήκη Baidu虑裂纹的
根据现有的研究结果， 有学者提出， 若按照
传统疲劳转向了主要考察裂纹扩展的断裂疲劳。 “塑性钝化模型”理论， 强度高的材料应具有较低
尽量准确地估算构件的剩余疲劳寿命是人们研究 的裂纹扩展速率， 但实验结果却不能证实这一预
纹扩展问题的方法和理论。
用于工程中等问题也一直在人们的争论之中。由于
２ 疲劳裂纹扩展研究现存问题
“裂纹闭合效应” 理论推出的结论是：“对载荷比的 依赖性不是材料的内在行为， 而是源于裂纹表面提
如今， 人们在分析材料裂纹扩展问题时最常用 前闭合后应力强度因子幅（ ΔＫ） 的变化”， 所以早在
收稿日期： ２００７－ ０４－ ２８ 作者简介： 吴 欢， 女， １９７５ 年生， 博士生， 西北有色金属研究院， 陕西 西安 ７１００１６， 电话： ０２９－ ８６２３１０７８，
是平面应力条件下， 在裂纹张开过程中产生的塑
虽然用全范围的 ｄａ／ｄＮ－ ΔＫ 关系可以更加精确
性 区 不 能 导 致 裂 纹 的 闭 合 ”， 并 且 指 出 ， 由 表 面 地预测含缺陷构件的裂纹扩展寿命， 但一般计算零
粗糙度、氧化等因素导致的裂纹的提前闭合虽然 件的疲劳寿命时， 只考虑裂纹稳定扩展的第二阶段
影响参数（ 如疲劳裂纹扩展门槛值） 和裂纹扩展速率的 关 系 进 行 描 述 ； ［１９￣２１］ ③ 疲 劳 变 形 机 理［２２， ２３］和 小 裂 纹
ＫＩＣ－ ΔＫ］， 以 及 由 郑 修 麟 教 授 和 Ｈｉｒｔ 教 授 提 出 的 考 虑 了 裂 纹 扩 展 门 槛 值 的 裂 纹 扩 展 速 率 方 程 ｄａ／ｄＮ＝
图 １ 疲劳裂纹扩展速率 ｄａ／ｄＮ 随应力强度因子幅ΔＫ变化示意图 Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｆａｔｉｇｕｅ－ ｃｒａｃｋ ｇｒｏｗｔｈ ｒａｔｅ ｄａ／ｄＮ
ａｓ ａ ｆｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｓｔｒｅｓｓ－ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙｒａｎｇｅ ΔＫ
为表观激活能 Ｑ＝Ｑ０－ Ｃ２ｌｎΔＫ 可由每一个恒定 ΔＫ 下
２００７ 年 ２６ 卷第 ７ 期
稀有金属快报 ３
的 ｌｇ（ｄａ／ｄＮ） － １／Ｔ 关 系 曲 线 的 斜 率 求 出 。
很多在显微组织对裂纹扩展影响方面的研究结
ｄａ ｄＮ
＝Ｃ１（ΔＫ
）ｎ
ｅｘｐ
Ｑ０－
Ｃ２ ｌｎΔＫ ＲＴ
（ １）
式 中 ， Ｃ１ 和 Ｃ２ 为 常 数 ， Ｔ 为 温 度 ， Ｒ 为 气 体 普 适 常 数 ， Ｑ０ 为 体 扩 散 激 活 能 。 如 果 进 一 步 考 虑 高 温 下 材 料 的 蠕 变 对 裂 纹 扩 展 的 影 响 ， 还 可 借 助 于 Ｇ．
Ａ． Ｗｅｂｓｔｅｒ 基 于 弹 塑 性 断 裂 力 学 中 Ｊ 积 分 的 概 念
提出的， 控制蠕变裂纹扩展速率的断裂力学参数
Ｃ＊［２７］来 分 析 。 由 于 Ｃ＊ 具 有 明 确 的 物 理 意 义 ， 因 此
在许多蠕变裂纹扩展过程中得以应用， 并且能获得
良好的效果。
从上述的裂纹扩展模型看到， 当载荷条件和工
“塑性钝化模型”和“裂纹闭合效应”与实际观察结果存在的矛盾。最后， 对钛合金疲劳裂纹扩展研究的内容和研
究结果进行了概述。
关键词： 疲劳； 裂纹扩展速率； 应力比； 钛合金
中图法分类号： Ｏ３４６．２＋３
文献标识码： Ａ
文章编号： １００８－ ５９３９（ ２００７） ０７－ ００１－ ０６
１ 前言
到的是“塑性钝化模型”和裂纹尖端因“反向塑性 区”等原因导致的“裂纹闭合效应”理论。而它们
试验结果不能用来预测构件中的裂纹扩展速率。
１９７０ 年 ， Ｒｉｔｃｈｉｅ 研 究 钢 中 裂 纹 扩 展 的 近 门 槛 值 时
发现： 在真空环境下， 应力比 Ｒ 对门槛值几乎没有
影响［２］， 首 度 质 疑 了 裂 纹 闭 合 的 存 在 性 和 所 起 的 作用。在前人研究的基础上， 美国海军实验室 的 Ｋ． Ｓａｄａｎａｎｄａ 和 Ａ．Ｋ．Ｖａｓｕｄｅｖａｎ 等 人 经 过 多 年 的 研 究 ［３， ４］， 从 理 论 上 证 明 了 “ 不 论 在 平 面 应 变 还
这给研究工作带来了极大困难。正因为此， 虽然 成正比。
对于疲劳的研究取得了大量有意义的研究成果，
而疲劳裂纹在扩展过程中的“裂纹闭合效应”
但仍有很多问题存在着争议， 很多学者还在不断 在什么情况下存在， 能否对材料的裂纹扩展速率产
的研究和探讨， 力求得到更加准确的解决疲劳裂 生重要影响， 考虑“裂纹闭合”的实验室数据能否
存在， 但在大部分情况下对裂纹尖端应力只有小 已完全能够满足实际需要， 只有对于核动力设备之
的 影 响 ［５］。
类的设计中， 才需要做非常精确的计算。因此， 大
３ 现有研究方法和常用理论模型
部分文献中的研究工作都是针对构件中由拉应力控 制的裂纹扩展的第二阶段进行的， 也就是研究裂纹
近 ２０ 年来， 我国在 材 料 疲 劳 裂 纹 扩 展 领 域 的 的亚临界扩展行为。
研究主要以实际应用为背景， 针对广泛应用的各种
现有的疲劳裂纹扩展的定量模型都是建立在连
合金钢和铝合金进行。研究内容主要包括： ① 材料 续介质力学基础上。在线弹性范围内， 可以用应力
组织、力学性能［６￣８］、应力比［９］、低温环境［１０］、盐水环 强 度 因 子 来 描 述 应 力－ 应 变 场 的 全 部 特 征 。 对 此 ，
出现了裂纹扩展机制的转变， 但也有人发现［２９］， 在 显的影响。Ｃｈｅｓｎｕｔｔ 等人研究了氢含量对 Ｔｉ－ ６Ａｌ－ ４Ｖ
的 扩 展 机 理［２４］。 在研究方法上， 人们通常使用线弹性断裂力学
Ｂ（ ΔＫ－ ΔＫｔｈ） ［２５］。这 ３ 个方程都可以很好的对裂纹在 第二阶段的扩展特性进行描述， 但也有一部分科
方法来研究裂纹的扩展问题。实践证明， 对绝大部 学家进一步将应力比、温度、频率等因素对材料
分材料而言， 用这种方法处理的裂纹扩展速率试验 裂纹扩展的影响转化为一些表示具体含义的参数，
２００７ 年 ２６ 卷第 ７ 期
稀有金属快报 １
疲劳裂纹扩展行为的研究现状及钛合金 的疲劳裂纹扩展特征
吴 欢， 赵永庆， 曾卫东
（ 西北有色金属研究院， 陕西 西安 ７１００１６）
摘 要： 疲劳裂纹扩展行为是现代材料研究中重要的内容之一。论述了组织结构、环境温度、腐蚀条件以及载荷
应力比、频率变化对材料疲劳裂纹扩展行为的影响。总结出疲劳裂纹扩展研究的常用方法和理论模型， 并讨论了
成分或成分相同但组织不同也会表现出完全不同的
裂纹扩展特性。
果表明， 钛合金 β相相对含量的变化会使钛合金具 有 本 质 不 同 的 疲 劳 裂 纹 扩 展 特 性 。 β转 变 组 织 以 及 再结晶退火型热循环有利于裂纹扩展的改善。双态 组织、等轴组织、片层组织钛合金的裂纹扩展阻力取 决于晶粒或条束以及片层的尺寸［３１，３２］。 通过对Ｔｉ－ ６Ａｌ－ ４Ｖ 合金的研究还发现， β退火态组织钛合金的疲劳裂 纹扩展速率一般来讲最低， 而轧制退火态组织的裂 纹扩展速率最高［３３］。
试验的条件变化而变化的。在对 Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ 合金的研究 能够提高疲劳裂纹的扩展抗力， 但当 ΔＫ＞１１ ＭＰａ·ｍ１／２
工作中， Ｙｕｅｎ 等人［２８］指出上述两种扩展机制在 ΔＫ 时， 这些氧的影响仅在统计学上具有意义［３９］。相似
约为 ４ ＭＰａ·ｍ１／２ 及塑性区尺寸大约等于 α晶粒尺寸时 地， 氢含量以及吸氢也会对钛合金的裂纹扩展有明
作环境发生变化时， 材料的裂纹扩展速率就会发生
变化。为了能较准确地估计出含裂纹构件的疲劳寿
命， 需要对构件材料裂纹扩展行为的变化规律有一
定的了解。但作者总结了以往对铝、钢、钛等金属
材料的裂纹扩展行为研究结果发现， 相同的载荷和
环境变化对不同材料的裂纹扩展行为的影响程度差
别很大； 即使是同一种材料（ 比如钛合金） ， 不同的
４ 钛合金的疲劳裂纹扩展特征
钛合金的疲劳裂纹扩展（ ＦＣＰ） 特性类似于断裂 韧性， 提供最高断裂韧度的那些条件同时也使裂纹 循环增长率最低。和铝及铝合金不同， 强度也有可 能 成 为 影 响 甚 至 控 制 钛 合 金 ＫＩＣ 和 ＦＣＰ 的 附 加 变 量。此外钛合金也具有和其它合金相同的特性： 当