1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写

2000字左右的文献综述：

文 献 综 述

1.引言

钛金属具有比强度高、腐蚀性能好、耐热性能好、低温性能好等优点。目前国内外对钛材性能的研究集中于运用到航天工业的钛合金上，对工业纯钛的研究较少。在化工石化行业中，由于工业纯钛的耐蚀性能和可加工变形能力好，应用最为普遍^[1]。

但另一方面，它的疲劳强度低、分散性大以及耐磨性差等缺点，又大大制约了其进一步的开发与应用。因此长期以来，有大量研究工作者始终致力于改善钛及其合金疲劳强度及耐磨性的研究工作，相继发展了多种可运用于钛合金与钢的表面改性技术，并取得了很好的改善耐磨性等成果^[2]。随着设计参数的不断提高，对钛制设备的要求也不断提高，在使用过程中钛制设备同样会出现疲劳等失效。

2.国内外研究的概况

2.1疲劳研究的发展概况

2.1.1疲劳的发展

”金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫做疲劳;虽然在一般情况下，这个术语特指那些导致开裂或破坏的性能变化” 这是日内瓦国际标准化组织(ISO)在1964年发表的报告”金属疲劳试验的一般原理”中给疲劳下了一个描述性的定义^[3]。

在1829年，德国矿业工程师W. A. J. Albert对用铁制作的矿山升降机链条进行了反复加载试验，开始了金属疲劳研究的历史。第一个有详尽文字记载的金属疲劳的研究工作是在1842年法国凡尔赛附近的铁路发生事故以后开始进行的。^[4]早在1843年，一位名叫W. J. M. Rankine的英国铁路工程师就对疲劳断裂的不同特征有了认识，并注意到机器部件存在应力集中的危险。

1852-1869年期问。有”疲劳试验之父”之称的A. Woehler对疲劳破坏进行了系统的研究。他在研究中提出了利用应力幅一寿命(S-N)曲线来描述疲劳性能的方法，并且提出了疲劳”耐久极限”这个概念。在1874年，一个名叫H. Gerber的德国工程师开始研究疲劳设计方法，提出考虑平均应力影响的疲劳寿命计算方法。J. Goodman也对平均应力的作用进行了研究，提出了著名的简化曲线，建立了平均应力影响图一Goodman图。1866年，J.Bauschinger引入了应力-应变滞后回线的概念，确认了循环应变软化和循环应变硬化的出现。

20世纪初，金相显微镜在疲劳机制研究中得到应用。Ewing Rosenhain，以及Ewing和Humfrey通过研究发现多晶材料的许多晶粒内都会出现滑移带。这些滑移带在疲劳形变的过程中逐渐变宽，并导致形成裂纹，而试样的突然破坏是由某条起主导作用的裂纹向前扩展造成的。同时指出滑移带与试样光滑表面相交形成了高出表面和压入表面的滑移台阶，这些台阶就是我们今天广泛称作的”挤出”和”侵入”。1910年，0. H. Basquin提出了描述金属S-N曲线的经验规律，认为应力对疲劳循环数的双对数图在很大的应力范围内表现为线性关系。

2.1.2疲劳的特点

所谓疲劳，就是在某点或某些点承受交变应力，且在足够多的循环作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部的、永久结构变化的发展过程。疲劳问题具有以下特点：

1) 只有在承受交变应力作用的条件下，疲劳才会发生

所谓交变应力，是指随时问变化的应力。交变载荷可以是力、应力、应变、位移等。如图1所示，载荷随使用时问的变化可以是有规则的，也可以是不规则的，甚至是随机的。

图1 疲劳载荷形式分类

疲劳分析中，还常常使用到下述参量，即应力变程(全幅) △σ定义为:

△σ=σmax#8212;σmin （1）

应力幅(半幅) σa定义为:

σa=△σ/2=(σmax#8212;σmin)/2 （2）

平均应力σm定义为：

σm=（σmax σmin）/2 （3）

应力比R定义为：

R=σmin/σmax （4）

应力比R反映了不同的循环特征，如当σmax=#8212;σmin时，R =#8212;1，是对称循环;σmin=0时，R =0 ,是脉冲循环; σmax=σmin时，R=1,σa =0,是静载荷。如图2所示。上述参量中，只需已知其中任意两个，即可确定循环应力水平。

图2 不同应力比下的应力循环

2）疲劳破坏起源于高应力或高应变的局部。

3）疲劳破坏是在足够多次的交变载荷作用之后，形成裂纹或完全断裂。

4）疲劳是一个发展过程

2..2低周疲劳

所谓低周疲劳，它是指材料在接近或者超过其屈服强度的应力作用下，低于10⁴一 10⁵周循环产生的疲劳失效。对低周疲劳，其特点是循环应力较高，往往超过材料的屈服强度而发生塑性应变，因而它是在塑性应变循环下引起的疲劳断裂，又称为应变疲劳或塑性疲劳。通常在一般机械行业中常见的疲劳为高周疲劳，其对应的应力应变关系是成比例的，材料一般处于宏观弹性状态。随着军事以及航空业的发展，一些压力容器、反应堆、炮筒和飞机的起落架等零部件，在循环加载过程中，应力水平很高，构件危险点的循环应力一应变关系因塑性应变较大而产生明显的滞后回线。疲劳寿命低，材料多处于塑性区工作，这种情况下就属于低周疲劳研究的范畴。

2.2.1滞后回线

低周疲劳分析的出发点是应变寿命曲线和局部应力一应变法。低周疲劳的应力应变分析采用了局部应力一应变法。局部应力一应变法是六十年代发展起来的一种新方法，这种方法是针对疲劳危险区小块材料在加载过程中的局部应力应变历程所发展起来的一种疲劳寿命估算方法。关于疲劳的局部应力一应变法认为，零件和构件的整体疲劳性能取决于最危险部位的局部应力应变状态;循环塑性变形是造成疲劳损伤的根本原因;在描述材料的疲劳性能时，应变是比应力更直接的物理量。因此，它采用了弹塑性分析及材料低周疲劳试验的循环应力一应变响应将载荷作用下的零件和结构在危险点的名义载荷，转化为危险部位的局部应力一应变，并对其进行修正，然后根据相同应变条件下损伤相同的原则，采用光滑试样的低周疲劳试验所得的应变一寿命曲线估算危险部位的损伤。

低周疲劳时，构件局部区域会产生宏观塑性变形，使得应力应变之间不再呈直线关系，而形成循环回线。如图3所示:若拉伸载荷从0点加到A点后卸载至零，再反向加载进入压缩状态至B，则曲线从A点开始先以弹性模量E的斜直线下行，然后开始反向屈服直到B点。如到B点又重新卸载，则以斜率E上升然后屈服，返回到A点。加载与卸载的应力一应变迹线ABA形成一个闭环，称为滞后回线或滞后环。

图3 滞后回线

滞后回线所包围的面积代表材料塑性变形时外力所做的功或者所消耗的能量，也表示材料抵抗循环塑性变形的能力。很明显，在弹性范围内循环加载时，理论上滞后回线退化为一段斜率等于弹性模量E的直线段，所包围的面积为零，即应力应变关系一般不会形成应力应变滞后回线。

2.2.2循环应力-应变曲线

通常所说材料的应力一应变曲线是指由静力拉伸试验测定的曲线，亦称单调应力一应变曲线。材料在循环载荷作用下测定的应力一应变曲线，称之为循环应力一应变曲线，它是不同总应变范围下得到的一系列稳定滞后回线顶点的轨迹，如图所示。由于循环硬化或者循环软化现象的存在，材料的单调应力一应变曲线与循环应力一应变曲线在弹性段是基本重合的，而在塑性段则有所不同。许多材料的这两种应力一应变曲线有着明显的差异。在同一坐标中比较这两种曲线，可判断材料的循环特性。如循环应力一应变曲线位于单调应力一应变曲线的下方，表明这种材料具有循环软化的现象;反之，若材料的循环应力一应变曲线位于单调应力应变曲线的上方，则表明该材料具有循环硬化现象。图4中，循环应力一应变曲线低于单调应力一应变曲线，因此材料呈循环软化特性。

图4 循环应力-应变曲线和单调应力-应变曲线

循环应力一应变曲线通常有两种表达形式。一种是以应力幅与塑性应变幅来表达，

（5）

另一种是以总应变幅与应力幅来表达，即

（6）

式中：#8212;总应变幅

#8212;应力幅

#8212; 循环强度系数

#8212;循环应变硬化指数

E#8212; 材料弹性模量

最常用的测定循环应力一应变曲线的方法有单级试验法，多级试验法和增级试验法。单级试验法是用一组试样，每个试样在一定的总应变幅下循环加载，通常以其半寿命N/2时的滞后环作为稳定的滞后环。连接各个应变幅下稳定环的顶点，即可得循环应力一应变关系曲线;多级试验法是用一根试样，先在较低的幅值下加载达到稳定，得到一条稳定的闭合回线。然后逐渐增加幅值，得出一系列的闭合回线。然后通过这些迟滞回线的顶点拟合出一条光滑曲线，即循环应力应变曲线;增级试验法是使用一根试样，预先将各级应变水平由大到小再由小到大再构成一个程序块，按此程序块进行加载，直到达到循环稳定。循环稳定时各迟滞回线的顶点即为循环应力一应变曲线。从最大应变幅开始的好处是，开始的第一次加载得出的就是单调应力一应变曲线。

国内外对各种金属材料低周疲劳试验的报道主要集中在钢、铝合金等金属。如1Crl8Ni9Ti^[5]、2Cr13^[6]、16NiCo^[7], 30CrNiMo8^[8]、35钢^[9], 40Cr, ^[10],In706合金^[11], LD-10合金^[12], Zr 4合金^[13],锆合金[^14],钛合金^[15]、铸造锌合金ZA27^[15]等。但对航空金属材料A4铝合金锻件低周疲劳试验却未曾论及。天津大学李传鼎等人对实际工程构件使用的一种中碳钢材料进行了七组不同应变控制试验，作出应力一应变曲线及应变一寿命曲线，为估算构件的疲劳寿命提供了数据^[17]。中国农业机械化科学研究院师照峰则通过对国外103种材料低周疲劳性能数据进行分析研究，提出了低周疲劳六个主要参数的取值范围和经验公式，为国产钢材低周疲劳性能参数的估算提供了依据，并给出了十种常用国产钢材的低周疲劳性能参数值^[18]。国内外学者对于金属材料在低周疲劳下力学特性，也进行了研究^[19-23]。

2.2钛的特点与应用现状^[24-27]

钛及其合金因是一种性能优异的新型金属材料，由于其具有密度小、比强度高、优良的耐蚀性和生物相容性，以及耐热性好等特点，在航空航天和军事工业、生物医学及医疗器械、航海或近海工业、化学工业等领域都具有广泛的应用前景。

低温下，纯钛和大多数钛合金结晶成密排六方结构，称为α一Ti。而在高温下，体心立方结构的钛很稳定，称为β- Ti。这两种不同晶体结构以及相应的同素异构转变温度(即β转变温度)是钛合金获得不同性能的基础。根据对β转变温度的影响，钛合金的合金化元素可分为中性元素、α相稳定化元素和β相稳定化元素，而根据钛合金中α, β相稳定化元素的含量，钛合金可分为α、近α,α β、亚稳β和β合金。

工业纯钛的强度接近普通钢的强度，且塑性好，具有良好的耐蚀性，易于加工成型，冲压、焊接、可切割加工性能良好。主要用于工作温度360摄氏度以下受力不大但要求高塑性的冲压件和耐蚀结构零件。如船舶用耐海水腐蚀管道、阀门、泵及海水淡化系统零部件，在化工工业中也有不凡的防腐表现。另一方面，纯钦具有优良的生物相容性，也使得其成为医疗生物移植上的重要医学材料。

一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度，而且钛合金的比强度远大于其他金属结构材料。可制出比强度高、刚性好、质轻的零部件。目前飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金。钛合金抗蚀性远优于不锈钢，具有很强的抵御点蚀、酸蚀、应力腐蚀的能力，同时对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等也具有优良的抗腐蚀能力。钛合金的使用温度比铝合金高几百度，在中等温度下仍能保持所要求的强度，可在甚至500摄氏度下长期工作。钛合金也是一种重要的低温结构材料，在低温和超低温下仍能保持其力学性能。如在TA7在一253摄氏度下还能保持一定的塑性。钛与钛合金的诸多优点，使其在各行各业的实际生产中得到极为广泛的应用。

2.3钛的疲劳概述

一般条件下，疲劳裂纹沿着α晶粒内的平面滑移带形核，对于细晶组织，

晶粒细化可增强钛^[28]合金抵抗裂纹形核和微裂纹扩展的能力，但是对于粗晶 组织，较细的晶粒反而不利于抵抗宏观裂纹扩展 α相和β相的排列方式可分为三种，即由β相区冷却时形成的层状组织、由再结晶过程产生的等轴状组织和从稍低于β相转变温度以下进行固溶处理获得的双态状显微组织，其中，等轴状组织具有较高的疲劳强度，易于发生超塑性变形，层状组织具有优异的抗疲劳裂纹扩展性能，而双态状组织综合了前两种组织的优点，具有更优良的抗疲劳性能。

同时，钛合金的疲劳性能又受多种外界因素的影响，如含氢量、环境温度以及承载条件等。何晓等人研究了四种氢含量对Ti-4A 1-2V钛合金疲劳寿命的影响，结果表明当拉伸疲劳载荷△σ大于550 MPa时，充氢材料的疲劳寿命高于自然含氢量的材料，而当△σ小于550 MPa时则情况相反，同时，△σ的大小还会影响疲劳裂纹的萌生位置^[29]; Gerhard Biallas等人研究了Ti-6A1-4V在真空和水蒸气环境下从室温到600 摄氏度的疲劳性能，发现在温度低于400 摄氏度时，裂纹都从滑移带萌生，水蒸气环境下的裂纹萌生寿命比真空环境下的低得多，而在温度高于600 摄氏度时，水蒸气的腐蚀作用表现得更为明显，裂纹通常从富氧的次表面脆化层内萌生. Lindemann等人研究了应力比R对α, α β和β合金高周疲劳强度的影响，发现对于近a和a β合金，疲劳极限随着应力比变化的曲线是下凹的。

1. 本文的研究内容

（1）参照GB/T 15248-2008 金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法，开展工业纯钛的低周疲劳试验。

（2） 获取工业纯钛的循环应力应变曲线，并建立相应的本构方程。

（3） 将工业纯钛的循环应力应变曲线与普通拉伸获得的单调应力应变曲线进行比较，确定工业纯钛的循环软化硬化特性。

（4） 建立工业纯钛的应力-寿命曲线，并建立相应的本构方程。

（5）比较工业纯钛的疲劳寿命曲线与其他材料的不同

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