试样温度的上升有关。

   另一方面，在液体氢中，直至试样发生断裂为止也没有发生锯齿形波形。可以认为这是因为液体氢的冷却能力比气体氦的高，试样的温度在试验过程中能保持不变所致。试样的拉伸试验结果表明，Ti-6Al-4V ELI合金在20K氦气体中的0.2%屈服强度、延伸率和断面收缩率与在20K液体氢中的基本相同，但拉伸强度比在液体氢中的稍低。另外，关于断裂韧性和高循环疲劳特性，没有看到因环境的不同而产生的差异。在低温试验中出现大的塑性变形的材料，或在导入塑性应变的试验中，如控制应变的低循环疲劳试验中有可能出现因环境的不同而使材料性能产生差异的现象，因此，今后应继续积累两种环境下的评价数据。

   3.2钛合金的平均应力对高循环疲劳特性的影响

   液体氢涡轮泵的作用是通过吸入大量的液体氢来进行升压。叶轮属于泵的旋转部件，它利用离心力和压力差使叶片根部产生大的弯曲应力。因此，掌握平均应力（应力比）对低温下高循环疲劳特性的影响是很重要的。图2示出在常温和77K时的平均应力对具有代表性的钛合金——Ti-6Al-4V ELI合金锻造材（a）和实际叶轮用的Ti-5Al-2.5Sn ELI合金锻造材（b）在10⁷循环时的疲劳特性影响的调查结果。该图为疲劳极限图，图中采用虚线表示10⁷循环时的疲劳强度和平均应力的关系及修正的古德曼线图。修正的古德

   曼线图可以用σa= σw.R=-1

   （1-σm/σB）表示。式中，σm为10⁷循环时的疲劳强度、σw.R=-1为R=-1时的10⁷循环时的疲劳强度、 σB为平均应力。众所周知，如果使用修正的古德曼线图，就可以推定许多材料的平均应力在负荷状态下的疲劳强度是否在安全范围内。

   在常温状态下，在Ti-6Al-4V ELI合金（a）的修正的古德曼图线中，当R=0.85左右时为安全区域，但当R=0.01和R=0.5时就变为危险区域。关于该合金在常温时与平均应力的这种特异关系，以往没有报道过。从修正的古德曼线图来看，在77K时的拉伸强度和R=-1的10⁷循环时的疲劳强度比常温时的高，结果修正的古德曼线图的移动会与高应力和高应力振幅侧基本平行。与常温一样，R=0.85的附近区域为安全区域。但是，当R=0.01和R=0.5时，疲劳强度会比常温时更高一些，从修正的古德曼上接B08版 线图可知，77K比常温更危险。故可以确认，Ti-6Al-4V ELI锻造材的高循环疲劳强度与平均应力有特异的相互关系，其特异关系在低温时表现得更加明显。

   在常温状态下，Ti-5Al-2.5Sn ELI合金（b）的10⁷循环时的疲劳强度基本处于修正的古德曼线上，无论在何种应力比情况下，都可以采用修正的古德曼线图进行推测。另一方面，从修正的古德曼线图来看，在77K时的拉伸强度比常温时的高，但R=-1的10⁷循环时的疲劳强度比常温时的低。尤其是，当R=0.01和R=0.5时，疲劳强度比常温时的低，看不到与静态强度上升对应的疲劳强度的上升。在77K时修正的古德曼线图中，R=0.85附近的高应力比区域被评价为安全区域，但R=0.01和R=0.5的区域则被推测为危险区域。在77K时， Ti-5Al-2.5Sn ELI合金的拉伸-拉力载荷下的10⁷循环时的疲劳强度比根据疲劳极限线图推测的强度更低，这种现象与Ti-6Al-4V ELI合金相同，但可以说R=-1、R=0.01和R=0.5时的高循环疲劳特性与温度的相互关系是不同的。由于Ti-5Al-2.5Sn ELI合金的孪晶变形与低温疲劳时的变形和断裂有关，这是否可以认为该合金的高循环疲劳特性与温度有相互关系，因此，需要进一步调查。另外，关于两种钛合金中确认的平均应力特异的相互关系，为弄清其机理，应着重对 hcp结构相中容易产生的滑移变形和孪晶变形与温度的相互关系进行研究。

   3.3 718合金母材与电子束焊接（EBW）材的高循环疲劳特性

   在运载火箭发动机中，718合金是被广泛使用的材料，甚至还可作为焊接材使用。图3表示该板材作为母材和EBW材在常温（a）和77K（b）时进行高循环疲劳试验（应力比R=-1）的结果。在这种情况下的EBW材在EBW后与母材一样进行了固溶处理和两级时效处理。因此，焊接部和HAZ（焊接热影响区）的硬度与母材相同（450HV左右）。根据常温下的试验结果可以确认，在S-N线图中母材和EBW材从10⁶到10⁷循环时的疲劳特性区域平坦，看起来象是存在着疲劳极限。EBW材的疲劳强度比母材的低一些，发生疲劳裂纹的位置不论是在焊接部（△），还是在焊接后形成的焊接热影响区（▽），都看不到疲劳特性有差异。

   另一方面，虽然在77K时两种材料的疲劳强度基本上都比常温时的高，但即使在10⁷循环后的附近区域上也没看到S-N线图有大的倾斜，因此无法确认疲劳极限。从使用寿命来看，虽然两种材料发生了内部断裂现象，但在S-N线图上并没有出现比发生表面断裂时有更大改变的趋势。EBW材会因焊接缺陷（焊接气孔）而产生疲劳断裂，在这种情况下疲劳强度会下降。对本研究中使用的试样，在焊接后采用X射线对焊接缺陷进行了检查。结果发现会导致疲劳断裂的焊接气孔比可检测到的极限气孔小。评价在低温下10⁷循环时的疲劳强度的条件有时选择应力振幅比常温高的区域，似乎焊接缺陷对疲劳特性的影响变得明显起来。关

   于钢在常温下产生疲劳的研究，有研究报告指出静态强度越高，微小的焊接缺陷和非金属夹杂等对疲劳强度的影响越大，且疲劳强度呈下降的趋势。本研究也确认存在着与此相同的情况。今后，把握检测极限可检测到的焊接缺陷，在低温下会导致钢材出现何种程度的疲劳强度下降是很重要的。

   4结束语

   作为本研究评价对象的材料，基本上是运载火箭发动机实际使用的材料，JAXA和生产运载火箭发动机的三菱重工公司和石川岛播磨重工业公司为本次评价工作提供了试样。也就是说，通过特定的工艺管理，获得的材料数据已成为运载火箭发动机用材料的标准。为进一步提高这些数据的可靠性，虽然已开展了高循环疲劳试验和疲劳裂纹扩展试验等极限环境下的长时间试验，但在进一步稳定材料状态的同时，还必须确保N次试验的稳定性。另外，由于不同运载火箭发动机所使用材料批次的不同，其产生的不同影响也应引起高度重视。尤其应该注意的是对材料性能产生不良影响的主要因素，要有很强的敏感性，在对受到不良影响时的材料性能进行评价的同时，要研究排除产生不良影响的主要因素，在这种情况下，就需要建立能够共同协作的工作机制。这不仅是材料系统研究本身所要求的，而且研究成果作为一种数据库也具有很高的价值。（廖建国）