隨著鈦合金材料使用率的逐年提高，鈦合金結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性已成為衡量鈦合金零部件先進(jìn)性的主要指標(biāo)之一。海洋裝備中低溫水流差產(chǎn)生的水壓差等導(dǎo)致裝備產(chǎn)生振動，在氣流環(huán)境中的微振是一種簡諧振動，長期振動在鈦合金內(nèi)部產(chǎn)生細(xì)小裂紋，影響了鈦合金結(jié)構(gòu)件服役安全性。因此，研究典型鈦合金在低溫簡諧振動過程中的阻尼行為對提高海洋裝備的服役性能具有重要意義。

來自長安大學(xué)陳永楠教授團(tuán)隊(duì)首次研究了典型鈦合金低溫簡諧振動中的裂紋擴(kuò)展規(guī)律及位錯(cuò)演變行為。相關(guān)論文以題為“Damping behavior of typical titanium alloys by varied frequency micro harmonic vibration at cryogenic temperatures”發(fā)表在Journal of Materials Research and Technology。

研究成果來自于長安大學(xué)輕合金表面強(qiáng)化研究團(tuán)隊(duì)，該團(tuán)隊(duì)長期從事鋁、鎂和鈦合金等組織穩(wěn)定性和表面處理技術(shù)研究。論文第一作者為長安大學(xué)碩士生劉威，通訊作者為長安大學(xué)陳永楠教授和趙秦陽博士及西北有色金屬研究所趙永慶教授，合作者還包括西部鈦業(yè)侯志敏教授級高級工程師、歐陽文博教授級高級工程師、西部材料康彥教授級高級工程師、中國石油管材研究院武剛、朱麗霞教授級高級工程師等。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.11.028

本研究將簡諧振動與典型鈦合金相結(jié)合，以闡明其在低溫下的振動阻尼性能。詳細(xì)分析了不同頻率下振動模量對裂紋擴(kuò)展的影響，探討了裂紋擴(kuò)展機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部位錯(cuò)的增加改善了阻尼性能，最終導(dǎo)致界面開裂，且與頻率呈正相關(guān)。β相位錯(cuò)在界面處聚集，應(yīng)力集中導(dǎo)致界面裂紋和穿晶斷裂；α相中的位錯(cuò)首先被激活，并向邊界滑動引起開裂，導(dǎo)致晶間斷裂。在0~-60℃、200 Hz的簡諧振動中，α相裂紋擴(kuò)展與β相裂紋擴(kuò)展相比始終具有遲滯行為。當(dāng)△K=0.137 MPa?m1/2 (-60℃，200 Hz)時(shí)，β相的第二裂紋尖端向不同方向偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致簡諧振動能量消耗增加。結(jié)果表明，裂紋擴(kuò)展速度減緩，阻尼性能達(dá)到峰值。

Fig.1不同頻率的鈦合金振動能量曲線：(a1) (b1) 100 Hz；(a2) (b2) 150 Hz；(a3) (b3) 200 Hz。

Fig. 2 (α+β)-Ti低溫200 Hz簡諧振動傳播路徑：(a)雙相鈦合金顯微組織BSE圖像；(b) (α+β)-Ti 200 Hz時(shí)的裂紋擴(kuò)展路徑。

Fig. 3典型鈦合金在200 Hz不同溫度下的圖像：(a1) ~ (a3) α-Ti；(b1) ~ (b3) β-Ti；(c1) ~ (c3) (α+β)-Ti。

Fig. 4 典型鈦合金相的低溫振動演化示意圖。

本研究從一個(gè)創(chuàng)新性的角度討論了典型鈦合金α-Ti、β-Ti和(α+β)-Ti低溫簡諧振動阻尼的響應(yīng)。介紹了鈦合金振動過程中的能量變化和位錯(cuò)分布，分析了典型鈦合金的裂紋擴(kuò)展行為，研究結(jié)果還原了低溫下不同鈦合金相的振動過程，為典型鈦合金低溫簡諧振動下的能量變化和裂紋擴(kuò)展行為提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)和理論研究基礎(chǔ)。