新型水下航行器用钛合金力学性能分析

水中兵器、水下机器人、水下滑翔机、载人深潜器等新型水下航行器一般都处于高压强的海水中，需要克服深海高压带来的不利影响。随着作业深度的增加，水下工作环境条件对航行器所承受载荷和压力的性能要求不断提升，一旦航行器密封结构出现破损、泄露，将会引发不可估量的后果， 所以有必要对水下航行器密封结构材料的力学性能进行分析 。ＴＣ４ＥＬＩ 钛合金与常用金属工程材料的主要力学参数如表 ２ 所示。

表 ２　 常用金属工程材料与钛合金力学参数

在这些表征材料特性的参数中，密度是材料的基本属性 之一，可以衡量其单位体积的质量大小；另一个主要参数是屈服极限，它是材料的一个主要力学特性，体现了其弹性变形范围内承受载荷的能力。图 ２ 是以上几种材料的密度和屈服极限对比柱状图。

图 ２　 常用金属工程材料与钛合金密度及屈服极限柱状图

从图 ２（ａ）可以看出 ６０６１ 铝合金密度最低，Ｑ２３５ 碳素结构钢和 ０６Ｃｒ１９Ｎｉ１０ 不锈钢密度最高，说明在同样的结构或体积条件下，以 ６０６１ 为代表的铝合金质量最轻，而以 Ｑ２３５ 为代表的碳素结构钢和以 ０６Ｃｒ１９Ｎｉ１０ 为代表的不锈钢质量最重，单从密度属性来看，以 ＴＣ４ＥＬＩ 为代表的钛合金对应减轻结构质量方面不具明显优势；然而从几种材料的屈服极限对比图 ２（ ｂ）可以看出，以 ＴＣ４ＥＬＩ 为代表的钛合金在几种材料中表现更好。　 　 

表 ２中还有一个表征材料属性的重要参数比强度，它是材料抗拉强度与密度之比，比强度越高表明达到相应强度所用的材料质量越轻。优质的结构材料应具有较高的比强度， 才能尽量以较小的截面满足强度要求，同时可以大幅度减小结构体本身的自重 。图 ３ 是以上几种材料比强度曲线。

图 ３　 常用金属工程材料与钛合金比强度曲线

从图３中可以看出，以ＴＣ４ＥＬＩ为代表的钛合金有优其他常用工程金属材料的比强度，有利于减轻水下航行器的整体质量，并提升综合力学性能。此外钛合金兼具有较好的韧性，现有技术条件下，其断裂韧性 Ｋ１Ｃ 值在 ５０ ＭＰａ·ｍ１ ／ ２ 以上，有研究表明结构材料在满足强度要求的前提下，韧性越高越好 。