（一）材料研究现状

钛及钛合金作为优秀的海洋工程用材料，各国对其研究与应用十分重视，先后研制出了一系列的海洋工程用钛合金。苏联 / 俄罗斯和美国是最早专门从事海洋工程用钛合金研究的国家，各自形成了海洋工程用钛合金体系。俄罗斯海洋工程用钛合金研究及实际应用水平居世界前列，拥有专门的海洋工程用钛合金系列，形成 490 MPa、585 MPa、686 MPa、785 MPa 等一系列强度级别的海洋工程用钛合金产品 [12]。美国于 20 世纪 60 年代开始研究海洋工程用钛合金技术，研制出钛合金材料系列，建立了完整的海洋工程用钛合金应用考核体系。

（二）应对服役环境和结构特征的性能需求

深海装备长期浸泡在海水中，需要承受极高的海水压力载荷、经受住海水腐蚀的考验。深海装备因其长期服役于深海与海面之间，还需要同时承受进港时的近岸海域以及出海时的浅海与深海等多种类型海洋环境的考验，进而对结构的安全可靠性、耐久性、可维修性提出更高要求。在较长的自持条件下还需考虑可能承受的超常规工况，如风暴拍击、物理撞击乃至爆炸冲击等。因此，全海域、全海深、全天候和长时间的运行和极端环境需求，对钛合金材料的性能提出了极高要求。

深海装备的设计既要遵循结构力学、流体力学等基础原理，还要结合工程技术发展现状，适应当前的工业化材料制备技术和造船工艺技术。依据深海装备工况特征，立足材料技术体系现状，钛合金材料应满足如下基本要求。

（1）材料强度级别满足结构设计要求。根据设计单位的分析结果，耐压结构材料的强度随着下潜深度的增加需要适度提高。综合考虑结构制造、材料塑韧性和工艺性，材料的强度不宜过高，合金选材设计以近 α 型钛合金为主 [13]。

（2）材料在海洋腐蚀环境（如海水、海洋大气等）下具有良好的塑韧性和抗应力腐蚀特性，抗低周疲劳性能好，满足装备长期使用的安全可靠性以及特殊工况要求。

（3）材料工艺适应性好。匹配船体及船用设备的加工特点，如铸造、锻造、冷热成型，满足低成本钛合金结构件制造工艺要求，可焊性好，焊后一般无须热处理强化。材料及工艺性能满足舰船设备大型化需求，配套有成型、无损检测等技术。

（三）材料韧性问题制约装备安全性

早期的焊接船体因脆性破坏导致的灾难事故并不少见，这促使设计师采用力学和金属学等方法去分析解决脆性问题。20 世纪 50 年代初，船舶大国即开展了针对船体材料的落锤、动态撕裂、裂纹源爆炸、系列温度的冲击试验等研究，分析材料随环境变化的韧性，评定能否用于制造船体 [14]。

目前评价钛合金材料断裂韧性的方法主要有：平面应变断裂韧性、J 积分、裂纹张开位移 δ、夏比冲击断裂韧性 Ak 等。通常，材料的临界应力强度因子 KIc 与试样厚度 B、裂纹长度和韧带宽度有关，只有试样厚度满足 B ≥时，才能获得稳定的 KIc。与 α+β 两相钛合金和亚稳 β 钛合金相比，由于近 α 钛合金的屈服强度 σs 较低，而 KIc 又较高，导致要求的试样厚度较大，不仅耗费大量材料，还要使用大型试验设备。因此，较多通过测量材料的 J 积分临界值，或裂纹尖端张开位移临界值，然后转换为 KIc 。通过测量或来获得材料的试验周期长、费用高，工程应用上为了快速评价材料的断裂韧性性能，通常采用夏比冲击断裂韧性 Ak ，或根据经验公式由夏比吸收功转换成 KIc 来快速评价材料的断裂韧性 [15,16]。

美国采用这类方法评定了几种钛合金材料，以考查对于船体用材的适应性，并参照钢材的破坏分类方法界定了船体用钛的破坏特征。目前已经建立起裂纹临界尺寸（ac）、裂纹体的断裂韧性（Xc ）和断裂应力（σf ）之间的关系。在平面应变条件下，若裂纹面垂直于外加应力，则可用张开型平面应变断裂韧性 KIc 来代替 Xc ，这样韧性值便可用于设计中的定量计算。我国在 20 世纪 60 年代也开展了类似研究，后因钛材料暂不用于壳体而中止。

现代船舶设计经验表明，结构材料在强度满足要求时，韧性越高越好。钛合金在海水条件下的应力腐蚀敏感性会增加，冲击和断裂韧性明显体现出差异性。①相同强度等级、不同成分和显微组织的钛合金，腐蚀疲劳裂纹扩展速率相差超过 1 倍，应力腐蚀断裂韧性 KISCC 相差超过 50%，两者的共同作用，使得主结构局部疲劳计算寿命相差超过 3 倍。②相同强度等级、不同牌号钛合金的断裂韧性、冲击韧性相差 1.5~2 倍，且中、高速变形速率下的变形和断裂特性与低变形速率下的明显不同，这显著影响了装备在极端工况下的破坏模式。

对于深海耐压结构材料的选材设计，近 α 钛合金的强度是满足深海耐压结构轻量化设计的关键因素，断裂韧性则是保证深海耐压结构服役安全可靠性的关键因素 [13,17]。遗憾的是，钛合金的强度和断裂韧性通常呈现“此消彼长”的关系。因此，如何快速、准确地对近 α 钛合金的断裂韧性进行评价，以及在保证合金强度的前提下尽可能提高其断裂韧性，成为未来的重点研究方向。