● 摘要
箔材的大量应用和发展迫切需要对箔材疲劳等力学性能进行更加广泛和深入的研究，当前已有的设备难以满足对箔材疲劳试验机的综合性的要求。本文研制出一种低成本而又可靠的新型箔材疲劳试验机，并用它对厚度为30μm和100μm的平行于和垂直于轧向四种高纯钛箔试样进行室温疲劳试验，同时也进行了室温拉伸实验，分析其室温疲劳性能和拉伸性能，对钛箔疲劳试验进行了有限元模拟。
研究了钛箔的拉伸力学性能和拉伸断口形貌与厚度和试样取向的关系。厚度为30μm钛箔晶粒尺寸为8μm，与轧制方向垂直的试样的屈服强度和抗拉强度高于与轧向平行的试样，分别为245MPa，368MPa和168MPa，340MPa，延伸率分别为22%和19%。两种方向的拉伸断口都是韧性断裂形貌，在断口同一区域，垂直于轧向试样比平行于轧向的试样的滑移带间距更大，滑移带更粗。厚度为100μm试样的晶粒尺寸为10μm，与轧制方向垂直的试样的屈服强度和抗拉强度高于与轧向平行的试样，分别为293MPa，375MPa和215MPa，386MPa，延伸率分别为40%和47%。两种方向的拉伸断口都是韧性断裂形貌，在断口同一区域，垂直于轧向试样也比平行于轧向的试样的滑移带间距更大，滑移带更粗。平行于轧向的试样，厚度100μm的屈服强度，抗拉强度和延伸率比30μm的更大。垂直于轧制方向的试样，厚度100μm屈服强度和延伸率比30μm的更大，抗拉强度基本不变。
研究了钛箔的疲劳力学性能和疲劳断口形貌与厚度和试样取向的关系。疲劳裂纹长度增长规律都是先缓慢增长到加速增长至断裂，并且随最大应力降低，钛箔疲劳寿命提高。厚度30μm的钛箔试样，在最大应力100MPa和70MPa下，垂直轧向的平均寿命比平行轧向的高。钛箔在疲劳源区，都表现为解理断裂形貌，在疲劳裂纹稳定扩展区，两种方向的试样都表现出解理断裂占主导的穿晶沿晶混合脆断。在快速断裂阶段，平行于轧向的试样断口有蛇形滑移花样和少量韧窝，垂直于轧向的是大量韧窝和剪切分离面。厚度100μm钛箔试样，最大应力100MPa，80MPa和70MPa下垂直于轧向的均比平行于轧向的寿命高。两种方向的钛箔在疲劳源区都表现为解理断裂形貌，在疲劳裂纹稳定扩展区，都表现出解理断裂占主导的穿晶断裂。而在快速断裂阶段，二者表现出相同的韧窝和剪切分离混合韧性断裂形貌。对于30μm和100μm厚度，在最大应力100MPa下，垂直方向的试样寿命相差不大，而平行方向则几乎相同。在80MPa，平行轧向的30μm试样寿命比100μm的高，而垂直轧向则相反。在70MPa，相同方向下厚度30μm的试样寿命均比100μm的高。
有限元模拟了钛箔疲劳裂纹扩展曲线，得到了预测的疲劳寿命和裂纹扩展总长度，与实际结果比较接近。利用新型箔材疲劳试验机得到的疲劳裂纹扩展与循环次数曲线效果好，每种类型的试样疲劳断口三个区域微观形貌特征和交界明显，从而验证了该箔材疲劳试验机的可靠性。