西安石油大学本科课程设计（论文）
课程设计（论文）
题目：钻杆钢腐蚀疲劳的断口分析学院(系)：材料科学与工程学院
专业：金属材料工程
班级：金材1002
学生姓名：李佳典
指导教师：雒设计
所在单位：西安石油大学
完成时间:2013年9月
目录
1．引言 (2)
2. 钻杆钢 (2)
2.1 钻杆钢的分类及应用 (2)
2.2 钻杆钢在腐蚀环境下的失效分析 (2)
3. 实验方法 (3)
3.1 实验材料的选用 (3)
3.2 断口的制备和保存及注意事项 (4)
4. 腐蚀疲劳的断口形貌分析 (4)
4.1 宏观断口形貌特征分析 (5)
4.2 疲劳裂纹源的微观断口形貌特征分析 (6)
4.3 疲劳裂纹扩展区的微观断口形貌特征分析 (7)
5. 结果分析 (8)
5.1 钻杆钢腐蚀疲劳断口形貌特征的影响因素 (8)
6. 结论 (8)
参考文献 (9)
1．引言
许多工程结构件的使用状态，不但是处于交变载荷和常温大气的条件下，而大多数是经受交变载荷和腐蚀介质的共同作用。金属的腐蚀疲劳[1]是工程中经常出现的一种现象，钻探管道，压缩机和燃气轮的叶片，舰船用螺旋桨和舵，蒸汽和水管道，化学工业中的泵轴等，往往遭受到腐蚀疲劳破坏。所以，随着现代化工业的发展，腐蚀疲劳已成为在石油、化工、冶金和海洋灯用钢结构中的重要研究课题之一。国外非常重视腐蚀疲劳研究工作，1973年召开过国际腐蚀疲劳会议。近些年来，已将断裂力学应用于腐蚀疲劳研究中，但是，国内对金属腐蚀疲劳研究很少。
鉴于我国目前海水用钢和抗硫化氢用钢等防腐蚀用钢发展的需要，应积极采取措施在现有疲劳试验机上增加腐蚀装置，大力开展腐蚀疲劳的实验研究工作。
2. 钻杆钢
2.1 钻杆钢的分类及应用
石油钻杆一般采用中碳合金钢，钢管都以热处理状态交货，通常采用调质热处理，得到回火索氏体组织，其具有良好的综合机械性能。按美国石油学会标准API5D钻杆按钢级可分为E-75，X-95，G-105，S-135，短线后的数字代表最小屈服强度，其中S135材质相对于36CrNiMo，36CrMnMo，30CrMn，也可以采用不锈钢材质，如00Cr13Ni5Mo。
钻杆是尾部带有缧纹的钢管，用于连接钻机地表设备和位于钻井底端钻磨设备或底孔装置。钻杆的用途是将钻探泥浆运送到钻头，并与钻头一起提高、降低或旋转底孔装置。钻杆必须能够承受巨大的内外压、扭曲、弯曲和振动。在油气的开采和提炼过程中，钻杆可以多次使用，钻杆的长度一般在九米左右。
光管和原钢管材在经过多次加工步骤后被制成钻杆。首先，通过钢管加厚工序的处理，光管外表面向内弯，钢管管壁加厚。下一步，进行螺纹加工并镀上能够增加强度的铜。然后进行非破坏性质量控制检验，随后进行钢管管体接头的焊接。而后，管体会经历焊接热处理和焊接最终处理，以消除焊接残余压力。在对成品钻杆进行渡漆和包装前要对钢管成品进行其他的一些检测，包括硬度测试，压力测试和非破坏性测试。
2.2 钻杆钢在腐蚀环境下的失效分析
钻杆腐蚀疲劳失效[2,3], 是腐蚀介质和弯曲交变载荷共同作用的结果从大量钻杆失效分析中观察到，腐蚀疲劳失效大都发生在内加厚过渡区终了处,即接头端面0.5～1.0m
处；因发展阶段不同，客观上可看到裂纹、刺孔、断裂等失效形式;腐蚀疲劳裂纹源与钻杆内壁蚀坑对应; 腐蚀疲劳事故多发生在井斜和方位变化大的井段。这些现象, 为认识钻杆腐蚀疲劳过程提供了重要的信息。
根据失效分析, 钻杆腐蚀疲劳过程可总结为以下三点：
(1)蚀坑的形成和裂纹的荫生
蚀坑的形成于钻杆用钢成分及泥浆介质有关，在PH值较高的弱碱性条件下Cr、Mo、Ni含量较高，钻杆常见点蚀, 尤其断口附近内壁有大量小而深的点蚀坑, 而其它区域表面光滑。M n含量较高，而Cr、Ni、Mo含量低的钻杆内壁布满圆而浅的蚀坑, 蚀坑直径与深度比约为2 : 1 , 且断口附近蚀坑大而深。
(2)裂纹的扩展
腐蚀疲劳裂纹在交变应力和腐蚀介质作用下迅速扩展, 高强度钻杆更甚。蚀坑下萌生的多条裂纹, 平行地分布于管内壁的不同水平面或同一水平面上. 交变应力因管壁
截面减小而增大, 裂纹尖端便向壁厚内部扩展。裂纹萌生和扩展初期, 由于交变应力较低, 一般认为腐蚀作用是主要的。当应力幅值高于临界腐蚀应力时, 也可能是腐蚀疲劳和应力腐蚀同时起作用, 使裂纹迅速扩展。
(3)刺穿和断裂
由于裂纹不断扩展, 剩余壁厚愈来愈薄。进而形成穿透裂纹, 高压泥浆乘隙而入形成穿孔。当剩余截面不足以承受工作应力时, 即产生断裂。
3. 实验方法
3.1 实验材料的选用
实验材料为S135钻杆钢，其化学成分（质量分数/%）：0.32C，0.24Si，0.75Mn, 0.007P, 0.004S, 1.02Cr, 0.17Mo, 0.006Ti, 0.06Cu,余量Fe。沿钻杆纵向取样的力学性能指标为σt＝1112MPa，σb＝1197MPa，δ＝17.5%，C V＝47.0J(20℃)。该钻杆的供货状态为调质热处理，其光学显微组织为典型的回火索氏体组织，如图1所示。疲劳试样沿钻杆的纵向取样，试样的长度方向为钻杆纵向，取样加工成直径Ф＝5mm的圆棒疲劳试样。
图1疲劳试样尺寸
3.2 断口的制备和保存及注意事项
疲劳加载试验采用的是PCD-100型电液伺服疲劳试验机,在实验加载过程中，为了使腐蚀液对试样表面有充分的腐蚀,试验应在低的频率(低于l.5Hz)下进行,经研究表明[4]，因此本试验采用的载荷频率为1Hz。腐蚀介质3.5%NaCl,pH值7—8,介质温度控制在23℃士3℃之间。裂纹长度由读数显微镜测到(精确到0.001mm),疲劳加载试验机上采用轴向应力控制、正弦波，疲劳试验采用3种不同的应力σ：(1)σ=8KN；(2) σ=12KN；(3) σ=16KN。为了更好的实际工况,在整个试验进行的过程中,介质箱应始终处于敞开状态,以利于空气中的氧分子进入到溶液中,与腐蚀疲劳试样进行作用。
a. 常用的断口试样保存方法有
(1)在断口表面上涂抹一层极易溶去且不腐蚀的保护材料，例如防锈漆、醋酸纤维、丙酮溶液等，以防止断口表面生锈或腐蚀现象发生。
(2)将清洗完毕的试样浸泡在无水洒精中，或放入干燥器里，也可浸入机油中浸渍保存，用这种方法时要注意防止机油对断口表面的腐蚀，这种方法只有在不得已情况下才采用。还有塑料袋存放断口，这是临时使用的简易方法。
(3)采用醋酸纤维7%~8%的丙酮溶液，在使用时将它倒在断口表面，并使溶液均匀分布，干后即可。
(4)采用三氯乙烯容易清洗掉的透明胶做断口表面的保护材料。
b. 断口试样保存的注意事项
(1)断口要保持干燥
断口试样在选取、清洗及传递的过程中应避免受潮，禁止用水洗涤断口表面。对于腐蚀的钻杆钢断口试样需要彻底洗涤，用水洗后，立即用丙酮或酒精溶液漂洗并干燥后放入干燥器皿中存放。
(2)断口表面严防机械擦伤
构件断裂失效大多数是在运行过程中发生的．不可避免的在断口表面产生不同程度的机械损伤，这是事先无法防止的。但是，在断口取样、取放、制备金相试样等过程中要严防发生人为机械擦伤，特别要注意不得使两个匹配面相互咬合或碰击。
(3)断口表面不能用酸性溶液清洗
用酸性溶液清洗断口表面，不仅使断口形貌失真而且还会在断口上显示出材料的显微组织形态或过腐蚀的痕迹等“假像”。将严重的影响断口分析的准确性，使断裂原因分析更加复杂化。
4. 腐蚀疲劳的断口形貌分析
腐蚀疲劳断口形貌分析方法[5]一般分为两种：宏观断口分析和微观断口分析；宏观
断口分析主要通过肉眼观察分析，而对于微观断口分析则采用LEOS-360型扫描电镜来进行对断口上的不同区域的微观形貌。
4.1 宏观断口形貌特征分析
(a)8KN (b)12KN
(c)16KN 图2 不同加载载荷下的宏观断口形貌
如图2为不同加载载荷下的宏观断口形貌特征图，从图中可以看出它们均具备了断口形貌的三大特征区域：疲劳源区、疲劳裂纹扩展区、瞬断区；同时，经研究表明[6,7]，在大气NaCl 溶液环境下，断口表面多表现出点蚀坑的存在（黑色点状部分），在载荷作用下，断口中间部位的裂纹沿着试样断口表面横向扩展,而裂纹前沿靠近表面的地方均出现了明显的宏观剪切唇,该剪切唇与裂纹面之间的夹角大约为45°。显然,对于钻杆钢腐蚀疲劳试验,裂纹面在扩展过程中的取向发生改变,导致腐蚀疲劳裂纹由起初的拉伸模式疲劳裂纹逐渐向剪切模式疲劳裂纹过渡，疲劳裂纹从试样表面形成，向试样内部扩展，且由图2看出，不同载荷下，断口各区域比例也随发生变化；从宏观形貌上分析断口特征，其断口附近无明显的塑形变形，都是脆性断裂，疲劳裂纹一般萌生于材料表面或靠近表面的位置。
比较图2中(a)、(b)、(c)，在靠近裂纹源处，裂纹放射状明显，其后裂纹逐渐稀疏，裂纹扩展速度加快，显示出快速断裂的形貌特征，在图2(a)中有多处疲劳源，表现出多裂
纹
扩
展
区
扩展区 瞬
断
区
扩展
区
瞬断区
疲劳源
瞬断区 疲
劳
源 疲
劳
源
疲劳源特征，而在图2(b)、(c)中只有一处疲劳源；比较图2(a)、(b)、(c)断口区域的比例可以看出：随载荷的增加，断口上疲劳裂纹扩展区的面积减小，瞬断区增大。在图2(a)中，断口上的疲劳裂纹扩展区约占整个断面的 2/3，而在图2(c)图中，疲劳裂纹扩展区的面积则占整个断面的 1/2。
4.2 疲劳裂纹源的微观断口形貌特征分析
(c)16KN
图3不同加载载荷下的疲劳源微观形貌
如图3为不同载荷下的疲劳源微观断口形貌图，疲劳裂纹一般萌生于材料表面或靠近表面的位置，裂纹从萌生点(点蚀坑)开始（如图中断口表层的灰黑色腐蚀层），在扩展中相遇，裂纹前沿因阻力不同而发生扩展方向上的偏离，此后，裂纹开始在各自的平面上继续扩展。根据相关文献表明[8-10]，裂纹在不同的断裂面相交而形成台阶，这些台阶在断口上构成了放射状射线，且裂纹源区大多呈解理形貌；在断口上，裂纹从萌生点开始，以河流状花样向前扩展，在扩展中相遇，裂纹前沿因阻力不同而发生扩展方向上的偏离。此后，裂纹开始在各自的平面上继续扩展，不同的断裂面相互交割而形成台阶，这些台阶在断口上构成了放射状射线，随着加载载荷的增加，河流花样减少，在该区域内观察不到疲劳条带。
裂纹源
(a) 8KN (b)12KN
比较图3中(a)、(b)、(c)，随着加载载荷的增加，其形貌特征显著，在图3(a)中，疲劳源处裂纹放射线相对集中，密度较大，裂纹细小；在图3(b)中，裂纹放射线密度逐渐发散，且密度随载荷增大而减小，裂纹形状也随之变得细长；而在图3(c)中，裂纹放射线更加疏散，且裂纹形状变得粗长。
4.3 疲劳裂纹扩展区的微观断口形貌特征分析
(a)8KN (b)12KN
(c)16KN
图4不同加载载荷下的疲劳裂纹扩展区微观形貌
如图4为疲劳断口的裂纹扩展区微观形貌图，在加载载荷下，断口较为粗糙，且在该区域可以看到大量的小晶面，表明在裂纹扩展区，断裂方式主要以脆性断裂为主，同时，在不同载荷下的小晶面呈现不同的高度差，表现为晶面状形貌，且台阶尺寸也不尽相同；而且在断口形貌上有部分微裂纹，表明腐蚀疲劳裂纹基本上是在奥氏体晶粒内沿着不同的位向缓慢地以穿晶方式扩展,从而造成解理断裂，最终在其断面上形成解理形貌。
比较图4中(a)、(b)、(c)，在不同加载载荷下，可以看出，在裂纹稳定扩展区以解
理断裂为主要特征，可见，在图4(a)图中，解理台阶的晶面较小，高度差不明显；随着载荷的增加，在图4(b)中，解理台阶明显，呈明显的高度差，且面积增加，在图4(c)中，断口表面呈结晶状，解理台阶高度差更加明显，且晶面面积较大；由此，随着加载载荷的增加，扩展区解理形貌差别明显，其断口特征主要表现为解理形貌。
5. 结果分析
5.1 钻杆钢腐蚀疲劳断口形貌特征的影响因素
钢疲劳断口形貌分析可以看出，疲劳断口形貌的形成主要受载荷，腐蚀介质，
周边环境以及材料自身特性的影响因素。
1)载荷的影响
由断口形貌分析可以看出，随载荷的变化，断口形貌也随之发生变化，而且断口上各区域上的微观形貌特征也不尽相同；例如随加载载荷的变化，断口上各区域的面积也随之变化，并且随加载载荷的变化，断口上疲劳裂纹的扩展速率也不同，随载荷增加，裂纹扩展速率越大，从而影响整个断口形貌的特征及其相对应的组织形貌。由此可以看出载荷对断口形貌特征的影响是巨大的。
2)腐蚀介质的影响
由钻杆效分析结果表明[2]，,钻杆表面首先形成大量小而深的蚀坑,在力学及化学因素共同作用下,在金属表面萌生及扩展,最终刺穿或断裂。因此裂纹萌生一般均在腐蚀坑内，且由于腐蚀介质在金属表面形成许许多多的点蚀坑，从而导致断口呈现多源特征，同时在载荷的作用下，裂纹扩展的路径各不相同，而且还会相互影响，造成裂纹扩展路径上阻力增大，形成缺陷，最终导致断口形貌特征形貌的差异。
3)钻杆钢自身材料属性的影响
钻杆钢是合金元素钢，由于其合金元素如:Mn、Gr、.Mo、Ti、Cu都可能会影响钻杆钢自身的性能，如钻杆钢的强度，硬度，韧性等，从而导致在腐蚀介质和加载载荷的作用下，其性能发生了相应的变化，最终在疲劳加载实验中，所获得的断口形貌也就随之发生变化，其疲劳裂纹扩展也会随之变化；此外，由于钻杆钢自身结构中存在晶体缺陷（杂质，第二相粒子，晶粒大小等等）的影响，导致裂纹扩展路径的变化，最终在介质和不同加载载荷作用下获得断口形貌特征。
6. 结论
本实验通过对钻杆钢在腐蚀环境中不同加载载荷作用下所获得的疲劳断口进行宏观和微观的形貌分析，比较了不同载荷作用下的断口形貌特征，总结以下几点：
(1)在不同加载载荷下，腐蚀钻杆钢的疲劳断口主要由粗糙程度差异明显的疲劳裂纹源区和劳裂纹稳态扩展区与疲劳裂纹瞬断区组成。在裂纹源区断面相对光滑，裂纹扩展区断面相对粗糙，且疲劳裂纹扩展一般萌生于金属表面。
(2)裂纹源区大多呈解理形貌，表现为脆性断裂；在裂纹源区向裂纹稳态扩展区的过渡区，存在放射状条纹、塑性亮痕，呈现出脆性断裂形貌特征；其断口多表现为解理台阶。
(3)疲劳断裂过程中，随着载荷的增大，疲劳源处裂纹放射线密度逐渐减小，且扩展区面积逐渐减小，瞬断区面积逐渐增大。
参考文献
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断口分析 研究金属断裂面的学科，是断裂学科的组成部分。金属破断后获得的一对相互匹配的断裂表面及其外观形貌，称断口。断口总是发生在金属组织中最薄弱的地方，记录着有关断裂全过程的许多珍贵资料，所以在研究断裂时，对断口的观察和研究一直受到重视。通过断口的形态分析去研究一些断裂的基本问题：如断裂起因、断裂性质、断裂方式、断裂机制、断裂韧性、断裂过程的应力状态以及裂纹扩展速率等。如果要求深入地研究材料的冶金因素和环境因素对断裂过程的影响，通常还要进行断口表面的微区成分分析、主体分析、结晶学分析和断口的应力与应变分析等。随着断裂学科的发展，断口分析同断裂力学等所研究的问题更加密切相关，互相渗透，互相配合；断口分析的实验技术和分析问题的深度将会取得新的发展。断口分析现已成为对金属构件进行失效分析的重要手段。 断口的宏观和微观观察断口分析的实验基础是对断口表面的宏观形貌和微观结构特征进行直接观察和分析。通常把低于40倍的观察称为宏观观察，高于40倍的观察称为微观观察。 对断口进行宏观观察的仪器主要是放大镜(约10倍)和体视显微镜（从5～50倍）等。在很多情况下,利用宏观观察就可以判定断裂的性质、起始位置和裂纹扩展路径。但如果要对断裂起点附近进行细致研究，分析断裂原因和断裂机制，还必须进行微观观察。 断口的微观观察经历了光学显微镜（观察断口的实用倍数是在 50～500倍间）、透射电子显微镜（观察断口的实用倍数是在 1000～40000倍间）和扫描电子显微镜（观察断口的实用倍数是在 20～10000倍间）三个阶段。因为断口是一个凹凸不平的粗糙表面，观察断口所用的显微镜要具有最大限度的焦深，尽可能宽的放大倍数范围和高的分辨率。扫描电子显微镜最能满足上述的综合要求，故近年来对断口观察大多用扫描电子显微镜进行（见金属和合金的微观分析）。 脆性断口和延性断口根据断裂的性质，断口大致可以分为几乎不伴随塑性变形而断裂的脆性断口，和伴随着明显塑性变形的延性断口。脆性断口的断裂面通常与拉伸应力垂直，宏观上断口由具有光泽的结晶亮面组成;延性断口的断裂面可能同拉伸应力垂直或倾斜,分别称为正断口和斜断口；从宏观来看，断口上有细小凹凸，呈纤维状。对于单轴拉伸断口和冲击断口，在理想情况下，其断裂面是由三个明显不同的区域（即纤维区、放射区和剪切唇区）所构成（图1）。这三个区域实际上是裂纹形成区、裂纹扩展区和剪切断裂区（对冲击拉伸则有终了断裂区），通常称它们为断口三要素。对于同一种材料，三个区域的面积及其所占整个断口的比例随外界条件的改变而变化。例如：加载速率愈大，温度愈低，则裂纹扩展区（即放射区）所占的比例也愈大。如果定义裂纹扩展区对另外两个区面积的比值为R,则通常把R=1时的断裂温度称为材料的韧性－脆性转变温度（或延性-脆性转变温度、塑性-脆性转变温度）。如果在同一温度和加载速率下比较两种材料的断裂性质，则R值愈小的材料，其延性（塑性）愈好。 金属断裂的微观机制为了阐明断裂的全过程（包括裂纹的生核和扩展，以及环境因素对断裂过程的影响等），提出种种微观断裂模型,以探讨其物理实质,称为断裂机制。在断口的分析中，各种断裂机制的提出主要是以断口的微观形态为基础，并根据断裂性质、断裂方式以及同环境和时间因素的密切相关性而加以分类。根据大量的研究成果，目前已知主要的金属断裂微观机制可以归纳在表1中。
故障件的断口分析 在形形色色的故障分析过程中,人们常会瞧到一些损坏零件的断口,但就是人们缺乏“读懂”它的经验,不能从它的断口处判断其损坏的真正原因而贻误了战机。这里结合整改过程中的一些实例作些介绍,希望能对您有所帮助！ 对于汽车常用碳素钢与合金钢而言,其常见断口有: 1.韧性(塑性)断口:发生明显塑性变形的断裂统称为塑性断裂。断口形貌为韧性(塑性)断口,断口呈暗灰色没有金属光泽瞧不到颗粒状形貌,断口上有相当大的延伸边缘。 2.疲劳弯曲断口: 2-1 在抗拉极限范围内的疲劳弯曲断口:出现典型的疲劳裂纹源区、裂纹扩展区与瞬时断裂区特征(下面将详 述)。 2-2 超过抗拉极限范围内的弯曲断口:不具有典型的疲劳断口特征,属于不正常的弯曲断裂。其断口特征:沿弯 曲方向上下呈灰褐色无金属光泽的断层;而内层呈银 灰色白亮条状新断口(见图1)。
图1 3.典型的金属疲劳断口 典型的疲劳断口定会出现疲劳裂纹源区、裂纹扩展区与瞬时断裂区三个特征。断口具有典型的“贝壳状”或称“海滩状”。
3-1 疲劳裂纹源区:就是疲劳裂纹萌生的策源地,它处于机件的表面,形状呈平坦、白亮光滑的半圆或椭圆形,这就是因为疲劳裂纹的扩展过程速度缓慢,裂纹经反复挤压摩擦而形成的。它所占有的面积较其她两个区要小很多。疲劳裂纹大多就是因受交变载荷的机件表面有缺陷;譬如裂纹、脱碳、硬伤痕、焊点等缺陷形成应力集中而引起的。疲劳裂纹点在同一个机件上可能有多处,换句话说可能有多处疲劳裂纹源区,这需要我们去仔细解读疲劳断口。 3-2 疲劳裂纹扩展区:就是形成疲劳裂纹后慢速扩展的区域。它就是判断疲劳断裂的最重要的特征区。它以疲劳源区为中心,与裂纹扩展方向垂直呈半圆形或扇形的弧线,也称疲劳弧线呈“贝纹状”。疲劳
金属疲劳、应力腐蚀试验及宏观断口分析 在足够大的交变应力作用下，由于金属构件外形突变或表面刻痕或内部缺陷等部位，都可能因较大的应力集中引发微观裂纹。分散的微观裂纹经过集结沟通将形成宏观裂纹。已形成的宏观裂纹逐渐缓慢地扩展，构件横截面逐步削弱，当达到一定限度时，构件会突然断裂。金属因交变应力引起的上述失效现象，称为金属的疲劳。静载下塑性性能很好的材料，当承受交变应力时，往往在应力低于屈服极限没有明显塑性变形的情况下，突然断裂。疲劳断口（见图1-1）明显地分为三个区域：裂纹源区、较为光滑的裂纹扩展区和较为粗糙的断裂区。裂纹形成后，交变应力使裂纹的两侧时而张开时而闭合，相互挤压反复研磨，光滑区就是这样形成的。载荷的间断和大小的变化，在光滑区留下多条裂纹前沿线。至于粗糙的断裂区，则是最后突然断裂形成的。统计数据表明，机械零件的失效，约有70%左右是疲劳引起的，而且造成的事故大多数是灾难性的。因此，通过实验研究金属材料抗疲劳的性能是有实际意义的。 图1-1 疲劳宏观断口 一﹑实验目的 1.了解测定材料疲劳极限的方法。 2.掌握金属材料拉拉疲劳测试的方法。 3.观察疲劳失效现象和断口特征。 4.掌握慢应变速率拉伸试验的方法。 二、实验设备 1.PLD-50KN-250NM 拉扭疲劳试验机。 2.游标卡尺。 3.试验材料S135钻杆钢。 4.PLT-10慢应变速率拉伸试验。 三﹑实验原理及方法 在交变应力的应力循环中，最小应力和最大应力的比值为应力比： max min σσ= r （1-1） 称为循环特征或应力比。在既定的r 下，若试样的最大应力为max 1σ，经历N 1次循环后，发生疲劳失效， 则N 1称为最大应力r 为时的max 1σ疲劳寿命（简称寿命） 。实验表明，在同一循环特征下，最大应力越大，则寿命越短；随着最大应力的降低，寿命迅速增加。表示最大应力max σ与寿命N 的关系曲线称为应力-寿命曲线或S-N 曲线。碳钢的S-N 曲线如图1-2所示。由图可见，当应力降到某一极限值r σ时，S-N 曲线趋 近于水平线。即应力不超过r σ时，寿命N 可无限增大。称为疲劳极限或持久极限。下标r 表示循环特征。 实验表明，黑色金属试样如经历107次循环仍未失效，则再增加循环次数一般也不会失效。故可把107 次循环下仍未失效的最大应力作为持久极限r σ。而把N 0=107称为循环基数。有色金属的S-N 曲线在N>5×108时往往仍未趋于水平，通常规定一个循环基数N 0，例如取N 0=108，把它对应的最大应力作为“条件”持久极限。
西安石油大学本科课程设计（论文） 课程设计（论文） 题目：钻杆钢腐蚀疲劳的断口分析学院(系)：材料科学与工程学院 专业：金属材料工程 班级：金材1002 学生姓名：李佳典 指导教师：雒设计 所在单位：西安石油大学 完成时间:2013年9月
目录 1．引言 (2) 2. 钻杆钢 (2) 2.1 钻杆钢的分类及应用 (2) 2.2 钻杆钢在腐蚀环境下的失效分析 (2) 3. 实验方法 (3) 3.1 实验材料的选用 (3) 3.2 断口的制备和保存及注意事项 (4) 4. 腐蚀疲劳的断口形貌分析 (4) 4.1 宏观断口形貌特征分析 (5) 4.2 疲劳裂纹源的微观断口形貌特征分析 (6) 4.3 疲劳裂纹扩展区的微观断口形貌特征分析 (7) 5. 结果分析 (8) 5.1 钻杆钢腐蚀疲劳断口形貌特征的影响因素 (8) 6. 结论 (8) 参考文献 (9)
1．引言 许多工程结构件的使用状态，不但是处于交变载荷和常温大气的条件下，而大多数是经受交变载荷和腐蚀介质的共同作用。金属的腐蚀疲劳[1]是工程中经常出现的一种现象，钻探管道，压缩机和燃气轮的叶片，舰船用螺旋桨和舵，蒸汽和水管道，化学工业中的泵轴等，往往遭受到腐蚀疲劳破坏。所以，随着现代化工业的发展，腐蚀疲劳已成为在石油、化工、冶金和海洋灯用钢结构中的重要研究课题之一。国外非常重视腐蚀疲劳研究工作，1973年召开过国际腐蚀疲劳会议。近些年来，已将断裂力学应用于腐蚀疲劳研究中，但是，国内对金属腐蚀疲劳研究很少。 鉴于我国目前海水用钢和抗硫化氢用钢等防腐蚀用钢发展的需要，应积极采取措施在现有疲劳试验机上增加腐蚀装置，大力开展腐蚀疲劳的实验研究工作。 2. 钻杆钢 2.1 钻杆钢的分类及应用 石油钻杆一般采用中碳合金钢，钢管都以热处理状态交货，通常采用调质热处理，得到回火索氏体组织，其具有良好的综合机械性能。按美国石油学会标准API5D钻杆按钢级可分为E-75，X-95，G-105，S-135，短线后的数字代表最小屈服强度，其中S135材质相对于36CrNiMo，36CrMnMo，30CrMn，也可以采用不锈钢材质，如00Cr13Ni5Mo。 钻杆是尾部带有缧纹的钢管，用于连接钻机地表设备和位于钻井底端钻磨设备或底孔装置。钻杆的用途是将钻探泥浆运送到钻头，并与钻头一起提高、降低或旋转底孔装置。钻杆必须能够承受巨大的内外压、扭曲、弯曲和振动。在油气的开采和提炼过程中，钻杆可以多次使用，钻杆的长度一般在九米左右。 光管和原钢管材在经过多次加工步骤后被制成钻杆。首先，通过钢管加厚工序的处理，光管外表面向内弯，钢管管壁加厚。下一步，进行螺纹加工并镀上能够增加强度的铜。然后进行非破坏性质量控制检验，随后进行钢管管体接头的焊接。而后，管体会经历焊接热处理和焊接最终处理，以消除焊接残余压力。在对成品钻杆进行渡漆和包装前要对钢管成品进行其他的一些检测，包括硬度测试，压力测试和非破坏性测试。 2.2 钻杆钢在腐蚀环境下的失效分析 钻杆腐蚀疲劳失效[2,3], 是腐蚀介质和弯曲交变载荷共同作用的结果从大量钻杆失效分析中观察到，腐蚀疲劳失效大都发生在内加厚过渡区终了处,即接头端面0.5～1.0m
第三部分疲劳断裂 疲劳断裂是金属结构失效的一种主要型式，典型焊接结构疲劳破坏事例表明疲劳断裂几率高，具有广泛研究意义。疲劳破坏发生在承受交变或波动应变的构件中，一般说来，其最大应力低于材料抗拉强度，甚至低于材料的屈服点，因此断裂往往是无明显塑性变形的低应力断裂。 疲劳断裂过程的研究表明，疲劳寿命不是决定于裂纹产生，而是决定于裂纹增大和扩展。因此，本章将在介绍疲劳断裂的基本特征和基本概念基础上，利用断裂力学原理着重分析疲劳裂纹的扩展机理、规律、影响因素及疲劳寿命估算。 §3-1疲劳的基本概念 在交变载荷作用下，金属结构产生的破坏现象称为疲劳破坏。为防止结构在工作时发生疲劳破坏传统疲劳设计采用σ―N曲线法确定疲劳强度。 一、应力疲劳和应变疲劳 1、应力疲劳 在低应力、高循环、低扩展速率的疲劳称为应力疲劳，也叫弹性疲劳。七特点是在应力循环条件下，裂纹在弹性区内扩展，且裂纹扩展速率低。 2、应变疲劳 在高应力、低循环、高扩展速率下的疲劳称为应变疲劳，也叫塑性疲劳。其特点是应变幅值很高，最大应变接近屈服应变，故疲劳裂纹扩展速率高（达每次循环10-2mm），寿命短（小于104周）。 二、疲劳强度和疲劳极限 1、乌勒（W?hler）疲劳曲线 （1）结构在多次循环载荷作用下，在工作应力σ（σmax）小于强度极限σb 时即破坏，在不同载荷下使结构破坏所需的加载次数N也不同，表达结构破坏载荷σ和所需加载次数N之间的关系（σ―N）即为乌勒（W?hler）疲劳曲线。 （2）疲劳曲线在加载次数N很大时趋于水平，若以σ―lgN表示则为两段直线关系 （3）图示（略） 2、疲劳强度（条件疲劳极限） （1）疲劳曲线上对应于某一循环次数N的强度极限σ即为该循环下的疲劳 强度（σ r ） （2）σ r =f（N）σ r 对应σmax，一般N<107 3、疲劳极限 （1）结构对应于无限次应力循环而不破坏的强度极限即疲劳极限（2）为σ―lgN疲劳图中的水平渐近线
收藏【技术类】 金属疲劳断口的宏现形状特征 (2011-1-21 13:38:36) 疲劳断口保留了整个断裂过程的所有痕迹，记录了很多断裂信息。具有明显区别于其他任何性质断裂的断口形貌特征，而这些特征又受材料性质、应力状态、应力大小及环境因素的影响，因此对疲劳断口分析是研究疲劳过程、分析疲劳失效原因的重要方法。 一个典型的疲劳断口往往由疲劳裂纹源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区三个部分组成，具有典型的“贝壳”状或“海滩”状条纹的特征，这种特征给疲劳失效的鉴别工作带来了极大的帮助。 1、疲劳裂纹源区 疲劳裂纹源区是疲劳裂纹萌生的策源地，是疲劳破坏的起点，多处于机件的表面，源区的断口形貌多数情况下比较平坦、光亮，且呈半圆形或半椭圆形。因为裂纹在源区内的扩展速率缓慢，裂纹表面受反复挤压、摩擦次数多，所以其断口较其他两个区更为平坦，比较光亮。在整个断口上与其他两个区相比，疲劳裂纹源区所占的面积最小。 当表面承受足够高的残余压应力或材料内部存在严重的冶金缺陷时，裂纹源则向次表面或机件内部移动。有时在疲劳断口上也会出现多个裂纹源，每个源区所占面积往往比单个源区小，源区断口特征不一定都具有像单个源区那样典型的形貌。裂纹源的数目取决于材料的性质、机件的应力状态以及交变载荷状况等。通常，应力集中系数越大，名义应力越高，出现疲劳源的数目就越多，如低周疲劳断口上常有几个位于不同位置的疲劳裂纹源区。 当零件表面存在某类裂纹时，则零件无疲劳裂纹萌生期，疲劳裂纹在交变载荷作用下直接由该类裂纹根部向纵深扩展，这时断口上不再出现疲劳源区，只有裂纹扩展区和瞬时断裂区。 2、疲劳裂纹扩展区 疲劳裂纹扩展区是疲劳裂纹形成后裂纹慢速扩展形成的区域，该区是判断疲劳断裂的最重要特征区域，其基本特征是呈现贝壳花样或海滩花样，它是以疲劳源区为中心，与裂纹扩展方向相垂直的呈半圆形或扇形的弧形线，又称疲劳弧线。疲劳弧线是裂纹扩展过程中，其顶端的应力大小或状态发生变化时，在断裂面上留下的塑性变形的痕迹。 贝纹花样是由载荷变动引起的，因为机器运转时不可避免地常有启动、停歇、偶然过载等，均可留下塑性变形的痕迹一贝纹线（疲劳弧线）。贝纹线的清晰度不仅与材料的性质有关，而且与介质情况、温度条件等有关，材料的塑性好、温度高、有腐蚀介质存在时，则弧线清晰。所以，这种弧线特征总是出现在实际机件的疲劳断口中，而在实验室的试件疲劳断口中很难看到明显的贝纹线，此时疲劳断口表面由于多次反复压缩而摩擦，使该区变得光滑，呈细晶状，有时甚至光洁得像瓷质状结构。一般贝纹线常见于低应力高周疲劳断口中，而低周疲劳以及许多高强度钢、灰铸铁中观察不到此种贝纹状的推进线。 贝纹线与裂纹扩展方向垂直，它可以是绕着裂纹源向外凸起的弧线，表示裂纹沿表面扩展较慢，即材料对缺口不敏感，例如低碳钢；相反，若围绕裂纹
文献综述 （2011级） 设计题目铝合金疲劳及断口分析 学生姓名胡伟 学号201111514 专业班级金属材料工程2011级03班指导教师黄俊老师 院系名称材料科学与工程学院 2015年4月12日
铝合金疲劳及断口分析 1 绪论 1.1 引言 7系铝合金包括Al-Zn-Mg 系和Al-Zn-Mg-Cu 系合金，此类合金具有密度低、比强度高、良好的加工性能及优良的焊接性能等一系列优点。随着应用在铝合金上的热处理工艺及微合金化技术的不断改进，其力学性能被大幅度强化，综合性能也得到了全面提升。在航空航天、建筑、车辆、、桥梁、工兵装备和大型压力容器等方面都得到了广泛的应用。 现代工业的飞速发展，对7 系铝合金的强度、韧性以及抗应力腐蚀性能等提出了更高的要求。但是，存在另外一个现象，在各行各业的领域中，铝合金设备偶尔会出现难以察觉的断裂，在断裂之前很难甚至无法察觉到一点塑性变形。这种断裂形式，对人身以及财产安全造成了不可挽回的损失。经过大量实验表明，这些断裂是由于材料的疲劳引起，材料在交变载荷的长期作用下，表面或者内部，尤其是内部会产生微观裂纹。本文主要研究铝合金疲劳引起的裂纹以及疲劳断口分析，此类研究对于日后的生产安全，有重大意义。 1.2 7系铝合金的发展历史 在20世纪20年代，德国的科学家研制出Al-Zn-Mg系合金，由于该合金抗应力腐蚀性能太差，并未得到产业内应用。在20世纪30年代初一直到二战结束期间，各个国家在研究中发现，Cu元素可以提高铝合金的抗应力腐蚀性能。在此，开发了大量Al-Zn-Mg 系合金，因此忽视了对Al-Zn-Mg 系合金的研究。德、美、苏、法等国在Al-Zn-Mg-Cu 系合金基础上成功地开发了7075 、B93 和D。T。 D683 等合金。目前正广泛应用在航空航天事业上，但是强度、韧性、抗应力腐蚀性能三者之间未能实现最佳组合状态。20世纪50年代，德国
1 疲劳断口的形貌特征 疲劳断口是指金属材料或零构件在疲劳断裂过程中形成的一种匹配的表面， 称断裂面或断口。分析它的目的在于确定零构件是否属于疲劳破坏?其破坏的原因是什么?从而提出防止事故的措施和方法，为今后的设计、选材以及加工等问 题提出改进意见。 对断口的形貌进行分析包括两个方面，即宏观断口分析和微观断口分析。所 谓宏观分析是指用肉眼或20—30倍以下放大镜观察断口的形貌特征。微观分析 是指用光学显微镜或电子显微镜对断口进行分析。宏观分析不要求专门设备，被观察断口尺寸不受限制，可以观察断件和断口全貌，了解各个方面变化情况，所以说宏观分析是断口分析的基础。微观分析是用高倍的光学显微镜、c透射电镜，扫描电镜对断口进行分析，能观察断口的精细结构及裂纹形态。 1.1 疲劳断口宏观特征 由于零构件经常承受拉、压、弯、扭或复合应力的作用，因载荷类型不同， 在宏观断口上表现出的形貌特征也不相同。 （1）弯曲应力作用下的疲劳断口 图1-2是在弯曲疲劳载荷作用下的断口示意图。零件在弯曲疲劳载荷作用下，其表面应力最大，中心应力最小，疲劳源首先在表面形成，然后沿着与最大正应力相垂直方向扩展，到最后瞬断。图中（a）是单向弯曲疲劳断口，它的疲劳源 首先在受拉应力一侧表面形成，瞬断区在疲劳源相对侧，其面积大小由材料抗拉强度和外加载荷的大小来决定。图中（b）是双向弯曲疲劳断口，由于双向弯曲，试件上下两侧交替承受拉应力作用，故疲劳源在相对两侧面形成，瞬断区在中间。
图1-3是轴在旋转弯曲应力作用下的疲劳断 口示意图，由于旋转弯曲应力也是表面最大，中 心最小，疲劳源也开始于表面，且疲劳源两侧裂 纹发展速度较中心快，故贝纹线比较扁平。最终 瞬断区虽然也在疲劳源对面，但总是相对于轴的 旋转方向逆偏转一个角度，此种现象称为偏转现 象。 因此，从疲劳源与瞬断区的相对位置便能推知轴的旋转方向。 轴上有无应力集中及应力集中大小，其最终瞬断区的位置是不同的。若应力 集中较小时，疲劳源只在一处发生，最终瞬断区在疲劳源相对应的一侧。若应力集中较大时，则沿周向缺口将同时有几个疲劳源产生，瞬断区的位置则在轴的内部。另外，最终瞬断区的位置还受轴上名义应力大小的影响。名义应力越大，瞬断区越移向轴的中央，如图l—4所示。 图1—5综合给出了上述各种弯曲应力条件下的疲劳断口形态图。
ASTM 金属疲劳与断裂标准一览 ASTM 金属疲劳与断裂标准一览 E468-90（2004）显示金属材料定幅疲劳试验结果的方法 Standard Practice for Presentation of Constant Amplitude Fatigue Test Results for Metallic Materials E561-05 R-曲线测定 Standard Practice for R-Curve Determination E602-03 圆柱形试样的锐切口张力的试验方法 Standard Test Method for Sharp-Notch Tension Testing with Cylindrical Specimens E606-92(2004)e1 应变控制环疲劳试验 Standard Practice for Strain-Controlled Fatigue Testing E647-05 疲劳裂缝增大率测量用测试方法 Standard Test Method for Measurement of Fatigue Crack Growth Rates E1457-00 测量金属蠕变开裂增长速度的试验方法 Standard Test Method for Measurement of Creep Crack Growth Rates in Metals E1290-02 测量裂缝尖端开口位移(CTOD)裂缝韧性的试验方法 Standard Test Method for Crack-Tip Opening Displacement (CTOD) Fracture Toughness Measurement E1823-96(2002) 疲劳和裂纹试验相关的标准术语 Standard Terminology Relating to Fatigue and Fracture Testing E1921-05 测定铁素体钢在转变范围内基准温度的标准试验方法 Standard Test Method for Determination of Reference Temperature, To', for Ferritic Steels in the Transition Range E740-03 用表面破裂张力试样做断裂试验 Standard Practice for Fracture Testing with Surface-Crack Tension Specimens Steels Using Equivalent Energy Methodology E1049-85(1997) 疲劳分析的周期计数 Standard Practices for Cycle Counting in Fatigue Analysis E1152 Test Method for Determining J-R Curves3 E1169-02 耐久性试验的实施 Standard Guide for Conducting Ruggedness Tests E1221-96(2002) 测定Kla铁素体钢的平面应变,断裂抑制,破裂韧性的试验方法 Standard Test Method for Determining Plane-Strain Crack-Arrest Fracture Toughness, KIa, of Ferritic Steels
青岛黄海学院机电工程学院2013—2014学年第二学期期中考试 科目：工程材料及机械制造基础 姓名：杜希元 学号： 1101111084 班级： 2011级本科三班 专业：机械制造及其自动化
浅论金属材料发生疲劳断裂的原因及危害 摘要：从人类开始制造结构以来，断裂就是社会面对的一个问题。早在100多年以前，人们就发现了金属疲劳给各个方面带来的损害。但由于技术的落后，还不能查明疲劳破坏的原因，直到显微镜和电子显微镜等高科技器具的相继出现之后，使人类在揭开金属疲劳秘密的道路上不断取得新的成果。本文浅论金属材料发生疲劳断裂的原因及危害，使人们初步了解金属疲劳断裂的相关知识。 关键词：疲劳断裂原因危害 一、金属材料的疲劳现象 工程中有许多金属零件，如齿轮、弹簧、滚动轴承、叶片、发动机曲轴等都是在变动载荷下工作的。根据变动载荷的作用方式不同，金属零件承受的应力可分为交变应力和循环应力。在交变应力下，虽然零件所承受的应力低于材料的抗拉强度甚至低于材料的屈服强度，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。 人的疲劳感觉来自于长期的劳累或一次过重的负荷，金属材料也是一样。金属的机械性能会随着时间而慢慢变弱，这就是金属的疲劳。在正常使用机械时，重复的推、拉、扭或其他的外力情况都会造成机械部件中金属的疲劳。这是因为机械受压时，金属中原子的排列会大大改变，从而使金属原子间的化学键断裂，导致金属裂开。 二、金属材料疲劳的种类 金属材料的疲劳现象，按条件不同可分为下列几种： （1）高周疲劳：指在低应力（工作应力低于材料的屈服极限，甚至低于弹性极限）条件下，应力循环周数在100000以上的疲劳。它是最常见的一种疲劳破坏。高周疲劳一般简称为疲劳。 （2）低周疲劳：指在高应力（工作应力接近材料的屈服极限）或高应变条件下，应力循环周数在10000～100000以下的疲劳。由于交变的塑性应变在这种疲劳破坏中起主要作用，因而，也称为塑性疲劳或应变疲劳。
飞机结构疲劳强度与断裂分析的现状和未来的发展 学院：经济管理学院 班级：940802020 学号：2009040802050 姓名：冉超 飞机结构疲劳强度与断裂分析的现状和未来的发展疲劳强度是指飞机结果在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。实际上，飞机结构并不可能作无限多次交变载荷试验。 断裂是指飞机结构被断错或发生裂开. 讨论的主要是脆性断裂情况，其断裂面是看得见摸得着的。还有两类断裂的断裂面则是看得见却不一定摸得着的。 许多飞机结果，如轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力（也称循环应力）。在交变应力的作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后会产生裂纹或突然发生完全断裂。 疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。据统计，在飞机结构失效中大约有80%以上属于疲劳破坏，而且疲劳破坏前没有明显的变形，所以疲劳破坏经常造成重大事故，所以对于轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等承受交变载荷的零件要选择疲劳强度较好的材料来制造。 疲劳失效是金属材料常见的失效形式, 特别是轴类, 连杆, 轴承类等零件, 长期在应力下工作的工件材料都要求较高的疲劳强度, 这样的可以提高零件的使用寿命。疲劳强度同时还与硬度、强度、韧性有较大关系，所以他是金属材料的重要力学性能指标
疲劳强度是材料能够承受无数次应力循环时的最大应力。疲劳强度关系到零件的寿命以及零件工作时能够承受的最大应力，这对零件的安全设计有重大意义。 例如:在齿轮设计中，当接触疲劳强度不满足要求时，假定不再更换材料的前提下，可以用如下方法进行弥补： 1、增加齿轮的齿宽（增加轮齿的接触面积） 2、轮齿进行高频淬火（或中频淬火）、渗碳、渗氮（提高轮齿的表面硬度） 3、磨齿（降低齿轮运行中因为接触强度不足而致使齿面发生胶合、斑蚀的危险性能） 希望以上能对你有所帮助，谢谢 航空工业作为技术密集、知识密集的高技术产业，集材料、机械、发动机、空气动力、电子、超密集加工、特种工艺等各种前沿技术之大成。目前，国际航空技术发达国家早已实施损伤容限耐久性规范，并成为国际适航性条例要求。然而，在飞机结构的三维损伤容限耐久性预测设计方面，由于研究队伍严重萎缩，国际上的实质性进展非常缓慢，三维损伤容限耐久性技术的发展停滞不前。与此同时，现代飞机大量使用三维整体结构，已有技术与需求的矛盾更加突出。这一现状的存在，使得国内外的设计者们在已有技术基础上不得不依靠更加实际、但耗资巨大的全机试验和各级全尺寸部件试验来检验飞机结构的损伤容限和耐久性，虚拟试验的科学基础欠缺。近年随着计算机容量逐渐满足三维断裂分析的需要，国际上三维试验和数值研究 骤增，多尺度研究骤增，虚拟试验的概念形成并得以应用。有影响和代表水平的工作主要出自美国NASA 以Newman 为主的研究组、英国Sheffield 大学nCode 公司及其研究组、法国宇航院(ONERA、瑞典航空研究实验室(FOI，德文首字Blom 研究组，荷兰国防动力研究实验室、澳大利亚国防科技组织(DSTO等[5-8]。但是其损伤容限耐久性技术依据的理论基础仍然是二维疲劳断裂理论，未取得本质上的突破，考虑三维约束的疲劳寿命分析模型也都是建立在大量经验参数基础上
在日常质量整改过程中，往往会看到一些损坏零件的断口，一些技术人员缺乏“读懂”它的经验，不能从它的断口处判断其断裂原因。本文仅就疲劳断面如何判断 作一介绍，希望能对您有所帮助！ 金属疲节断口的夫现形状特征...................... 疲劳師白恒函了產福昶輛薪看籬:毛轩很多斷裂 営恳■具宵明星区别了其他任何性质斯蟄的断口耳溺特饪. 苟过些特征又哥林料■性质.应力畑巫力太八政讣境肉幸 鬧員观向?因归对披羽浙匚守折杲说霁站过程、分祈疫劳 失效愿因旳重要方法? 「-卜典型的波茹阡口往往由匿苏裂滾海区、瘦苛裂纹 扩展EK和蜿时斷裂区三宀都分组戍，貝有次型的“員査 “状或嚼滩壮诈纹的特征，这和将征给朗九鼓的鉴钊工乍 討玉了根大的利砒° h疲苦裂纯源区 菽劳裂纹源区是疲苛裂纹萌生您策卿L裁苇破坏的起區多处于桶T旳義峦源区的断口刑醐倉載情况F比较平坦、出死，且呈半圆形取半桅园形，同芮裂纹庄源區内的扩展直举煖慢，裂级表面受反貝侪压?挛帯次数多，所以莽断口较算他两个区灵为平坦.册光亮*右整/断口上与其他两个区相汁，痰劳裂纹诵区所白的面积最/扎 当表面承受足蒼高赠余压应力或材科内部存古严重的冶金册色时，裂纹源则向次表面或机件内郃移就有时在疲育断口上世会出现多个裂纹瘪每卜瓯区所占面袄往住比单怡源区小.源区斷口持伍不 -定都具有孵个源区那祥典型的fm.裂纹源的數目取决于删的性债、机件的应力犹态以廉交变敷局吠呪等■:辭,礙力集中系数越大，台义应力挖禹巴址滾旁湍旳数匕就擾织婀iu玻专師」二常自〔T悝二K同忙胃讯疙针承址涉己、当壽替丧血疗在某裘勰时I则零杵无寂劳裂纹萌生期，疲劳裂级在交变載荷作用下直按由该袞裂纹艰邹冋纵猱扛展，这盯断口上不再岀现疲劳餌只有製纹扌二展区和孵时断段尻?
科技论文写作 题目：钻杆钢腐蚀疲劳的断口分析钻杆钢腐蚀疲劳的断口分析
摘要：首先通过对钻杆钢进行了疲劳腐蚀实验，然后借助于扫描电镜对S135钻杆钢的腐蚀疲劳断口形貌进行宏观和微观分析研究，最后对其断口形貌形成的影响因素进行讨论。结果表明其疲劳断口是以脆性性为主的多源性断口，且在不同加载载荷下，腐蚀钻杆钢的疲劳断口主要由粗糙程度差异明显的疲劳裂纹源区和劳裂纹稳态扩展区与疲劳裂纹瞬断区组成，在裂纹源区断面相对光滑，裂纹扩展区断面相对粗糙，且疲劳裂纹扩展一般萌生于金属表面。而且随加载载荷的大小不同，其各区域面积也随之不同。 关键词：钻杆钢腐蚀疲劳疲劳断口断口分析 1 引言 随着现代工业的快速发展，当今社会对石油资源的需求越来越大。伴随着浅部油气层的长期开采，各大主力油田大多己进入开发的中后期，浅层勘探很难发现大型的油气资源,因此在今后的油气勘探中，深井、超深井和大位移井等高难度井将成为国内外各大油气田增产上储的主要手段。近年来随着定向井、大位移井、水平井、深井等高难度井应用的逐年增多，钻具失效断裂事故也随之增加。钻具失效在石油钻井界是普遍存在的。在深井!超深井、大位移井等高难度井钻井过程中，钻具的受力状况复杂，井下环境异常恶劣，处在内、外充满钻井液的狭长井眼里工作，通常承受弯曲、挤压、扭转、液体压力等载荷，因此钻具在井下的运动是一个复杂的动力学系统。钻井液是由固体、液体和化学处理剂组成的复杂混合液，碱性极强，pH值大多在7-11之间。在钻井过程中，由于钻井液及其它腐蚀介质(如硫化氢、二氧化碳等)和复杂交变应力的共同作用，会严重降低钻具的疲劳寿命，使钻具极易发生腐蚀疲劳断裂事故。钻具的腐蚀疲劳断裂没有疲劳极限，因此很难预测其疲劳寿命，危害性极大。钻井过程中钻具在任何部位断裂都会造成严重的后果，导致油井报废。美国的统计和估算表明：14%的钻柱断裂事故发生在井上，平均每发生一次损失约106000美元，这是正常消耗以外的巨额费用。据统计我国每年必须用数亿元人民币的外汇进口各种规格的钻杆和钻挺。 根据管材研究所2003年对国内十几个油田调查资料统计：全国每年发生钻具断裂事故约1000起，其中约70%发生在深井、定向井、大位移井、水平井等高难度井中。在管材研究所1999年到2003年完成的钻具失效分析中，有72%
第05章金属的疲劳 1．解释下列名词 (1) 应力范围△σ；(2) 应变范围△ε；(3) 应力幅σa；(4) 应变幅(△εt／2，△εe／2，△εp／2)；(5) 平均应力σm；(6) 应力比r；(7) 疲劳源；(8) 疲劳贝纹线；(9) 疲劳条带；(10) 驻留滑移带；(11) 挤出脊和侵入沟；(12)ΔK；(13) da/dN；(14) 疲劳寿命；(15) 过渡寿命；(16) 热疲劳；(17) 过载损伤。 2．解释下列疲劳性能指标的意义 (1)疲劳强度σ-1、σ-1p、τ-1、σ-1N；(2) 疲劳缺口敏感度qf；(3) 过载损伤界；(4) 疲劳门槛值△Kth。 3．试述金属疲劳断裂的特点。 4．试述疲劳宏观断口的特征及其形成过程。 5．试述疲劳曲线(S—N)及疲劳极限的测试方法。 6．试述疲劳图的意义、建立及用途。 7．试述疲劳裂纹的形成机理及阻止疲劳裂纹萌生的一般方法。 8．试述影响疲劳裂纹扩展速率的主要因素，并和疲劳裂纹萌生的影响因素进行对比分析。 9．试述疲劳微观断口的主要特征及其形成模型。 10．试述疲劳裂纹扩展寿命和剩余寿命的估算方法及步骤。 11．试述σ-1与ΔKth的异同及各种强化方法影响的异同。 12．试述金属表面强化对疲劳强度的影响。 13．试述金属循环硬化和循环软化现象及产生条件。 14．试述低周疲劳的规律及曼森一柯芬关系。 15．试述多冲疲劳规律及提高多冲疲劳强度的方法。 16．)试述热疲劳和热机械疲劳的特征及规律；欲提高热锻模具的使用寿命，应该如何处理热疲劳与其它性能的相互关系? 17．正火45钢的σb=610MPa，σ-l=300MPa，试用Goodman公式绘制靠σmax(σmin)一σm疲劳图，并确定σ-0.5、σ0和σ0.5等疲劳极限。 18．有一板件在脉动载荷下工作，σmax=200MPa，σmin =0，其材料的σb=70MPa、σ0.2=600MPa、KIC=104MPa·m1/2，Paris公式中c=6.9×10-12，n=3.0，使用中发现有0.1mm 和 1mm的单边横向穿透裂纹，试估算它们的疲劳剩余寿命。 19．疲劳断口和静拉伸断口有何不同?在什么情况下可以预期疲劳断口在肉眼观察下和静拉伸断口相似?如何从断口上判断载荷大小和应力集中情况。 20．试从疲劳破坏特点解释以下疲劳宏观规律 (a)一般金属材料，无论何种处理状态，其疲劳极限σ-1≈0.3～0.5σb，总低于静载下的屈服强度。 (b)为什么无缺口轴向疲劳极限一定比无缺口旋转弯曲疲劳极限低10％一25％?试举几个有影响的因素 (c)完全对称循环与不对称应力循环相比，为什么σ-1是最低的疲劳强度，而应力比R越大可承受的最大应力σmax越高，或者在相同的σmax晴况下，疲劳寿命越长? 21．什么叫低周疲劳和高周疲劳?为什么高周疲劳多用应力控制，低周疲劳多用应变控制?用应变控制进行低周疲劳试验有哪些优点，取得了哪些有价值的结果?
名词解释 延性断裂：金属材料在过载负荷的作用下，局部发生明显的宏观塑性变形后断裂。 蠕变：金属长时间在恒应力，恒温作用下，慢慢产生塑性变形的现象。 准解理断裂：断口形态与解理断口相似，但具有较大塑性变形（变形量大于解理断裂、小于延性断裂）是一种脆性穿晶断口 沿晶断裂：裂纹沿着晶界扩展的方式发生的断裂。 解理断裂：在正应力作用下沿解理面发生的穿晶脆断。 应力腐蚀断裂：拉应力和腐蚀介质联合作用的低应力脆断 疲劳辉纹：显微观察疲劳断口时，断口上细小的，相互平行的具有规则间距的，与裂纹扩展方向垂直的显微条纹。 正断：断面取向与最大正应力相垂直（解理断裂、平面应变条件下的断裂） 韧性：材料从变形到断裂过程中吸收能量的大小，是材料强度和塑性的综合反映。 冲击韧性：冲击过程中材料吸收的功除以断的面积。 位向腐蚀坑技术：利用材料腐蚀后的几何形状与晶面指数之间的关系研究晶体取向，分析断 裂机理或断裂过程。 河流花样：解理台阶及局部塑性变形形成的撕裂脊线所组成的条纹。其形状类似地图上的河 流。 断口萃取复型：利用AC 纸将断口上夹杂物或第二相质点萃取下来做电子衍射分析确定这些 质点的晶体结构。 氢脆：金属材料由于受到含氢气氛的作用而引起的低应力脆断。 卵形韧窝：大韧窝在长大过程中与小韧窝交截产生的。 等轴韧窝：拉伸正应力作用下形成的圆形微坑。 均匀分布于断口表面，显微洞孔沿空间三 维方向均匀长大。 第一章 断裂的分类及特点 1.根据宏观现象分：脆性断裂和延伸断裂。 脆性断裂裂纹源：材料表面、内部的缺陷、微裂纹；断口：平齐、与正应力相垂直 ，人字纹或放射花纹。延性断裂裂纹源：孔穴的形成和合并;断口：三区，无光泽的纤维状，剪切面断裂、与拉伸轴线成45o . 2.根据断裂扩展途分：穿晶断裂与沿晶断裂。 穿晶断裂：裂纹穿过晶粒内部、可能为脆性断裂也可 能是延性断裂； 沿晶断裂：裂纹沿着晶界扩展，多属脆断。应力腐蚀断口，氢脆断口。 3根据微观断裂的机制上分：韧窝、解理（及准解理）、沿晶和疲劳断裂 4根据断面的宏观取向与最大正应力的交角分：正断、切断 正断：断面取向与最大正应力相垂直（解理断裂、平面应变条件下的断裂） 切断：断面取向与最大切应力相一致，与最大应力成45o交角（平面应力条件下的撕裂） 根据裂纹尖端应力分布的不同，主要可分为三类裂纹变形： 裂纹张开型、边缘滑开型（正向滑开型）、侧向滑开型（撒开型） 裂纹尺寸与断裂强度的关系 Kic ：材料的断裂韧性，反映材料抗脆性断裂的物理常量（不同于应力强度因子，与K 准则 相似） a Y K c c πσ?=1
4.1金属疲劳破坏的特点 零件在交变应力作用下损坏叫做疲劳破坏。据统计，在机械零件失效中有80%以上属于疲劳破坏。例 如大多数轴类零件，通常受到的交变应力为对称循环应力，这种应力可以是弯曲应力、扭转应力、或者是两者的复合。如火车的车轴，是弯曲疲劳的典型，汽车的传动轴、后桥半轴主要是承受扭转疲劳，柴油机曲轴和汽轮机主轴则是弯曲和扭转疲劳的复合。再如齿轮在啮合过程中，所受的负荷在零到某一极大值之间变化，而缸盖螺栓则处在大拉小拉的状态中，这类情况叫做拉-拉疲劳；连杆不同于螺栓，始终处在小拉大压的负荷中， 这类情况叫做拉-压疲劳。我们还可以列举很多常用的机械零件所受的负荷情况，综合这些情况就会得到上面 已经提过的结论：大多数零件的失效是属于疲劳破坏的。 4.1.1疲劳破坏的特点 尽管疲劳载荷有各种类型，但它们都有一些共同的特点。 第一，断裂时并无明显的宏观塑性变形，断裂前没有明显的预兆， 而是突然地破坏。 第二，引起疲劳断裂的应力很低，常常低于静载时的屈服强度。 图4-0换劳断口的甕■嵋片第三，疲劳破坏能清楚地显示出裂纹的发生、扩展和最后断裂三个组 成部份。 4.1.2疲劳断口分析 我们已经知道，疲劳损坏有裂纹的发生、扩展直至最终断裂三部分，对疲劳宏观断口的分析就可以证 实这点（见图4-0 ）。 一个典型的疲劳断口总是由疲劳源，疲劳裂纹扩展区和最终断裂区三部份构成。 疲劳断口有各种型式，它取决于载荷的类型，即所受应力为弯曲应力、扭转应力还是拉-压应力，同时与应力的大小和应力集中程度有关。 图4-1是弯曲疲劳的断口。在承受低名义应力时，对于应力集中较小的，疲劳裂纹扩展区占的面积相对说比较大，而且最终断裂区并不正好位于疲劳源的对侧，而是以逆旋转方向偏离一个位置。对于应力集中较大的，不仅扩展区减小，而且最终断裂区已不在轴的表面，渐渐移向中心。在承受高名义应力时，即使对应力集中小的轴，表面的疲劳源已有多处，裂纹扩展形成棘轮形，最终断裂区位于轴的中心。对于高应力集中的轴，表面的疲劳源更多。
第五章金属的疲劳 本章从材料学的角度研究金属疲劳的一般规律、疲劳破坏过程及机理、疲劳力学性能及其影响因素，以便为疲劳强度设计和选用材料，改进工艺提供基础知识。 第一节金属疲劳现象及特点 一、变动载荷 1. 变动载荷 定义：变动载荷是引起疲劳破坏的外力，指载荷大小，甚至方向均随时间变化的载荷，在单位面积上的平均值为变动应力。 2. 循环应力 二、疲劳现象及特点 1. 分类 疲劳定义：机件在变动应力和应变长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象。 (1) 按应力状态不同，可分为：弯曲疲劳、扭转疲劳、挤压疲劳、复合疲劳 (2) 按环境及接触情况不同，可分为：大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、热 疲劳、接触疲劳 (3) 按断裂寿命和应力高低不同，可分为：高周疲劳、低周疲劳，这是最基 本的分类方法 2. 特点 （1）疲劳是低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂 ?断裂应力水平往往低于材料抗拉强度，甚至低于屈服强度。 ?断裂寿命随应力不同而变化，应力高寿命短，应力低寿命长。 ?当应力低于某一临界值时，寿命可达无限长。 （2）疲劳是脆性断裂 由于一般疲劳的应力水平比屈服强度低，所以不论是韧性材料还是脆性材料，在疲劳断裂前不会发生塑性变形及有形变预兆，它是在长期累积损伤过程中，经裂纹萌生和缓慢亚稳扩展到临界尺寸a c时才突然发生的。 因此，疲劳是一种潜在的突发性断裂。 （3）疲劳对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感 ?由于疲劳破坏是从局部开始的，所以它对缺陷具有高度的选择性。 ?缺口和裂纹因应力集中增大对材料的损伤作用，组织缺陷（夹杂、疏松、白 点、脱碳等）降低材料的局部强度，三者都加快了疲劳破坏的开始和发展。 三、疲劳宏观断口特征 （1）疲劳源:在断口上，疲劳源一般在机件表面，常与缺口、裂纹、刀痕、 蚀坑等缺陷相连，由于应力不集中会引发疲劳裂纹。 材料内部存在严重冶金缺陷时，因局部强度降低也会在机件内部产生疲劳源。 ?从断口形貌看，疲劳源区的光亮度最大，因为这里是整个裂纹亚稳扩展过程
1 5.1疲劳断裂失效的基本形式和特征 5.2疲劳断口形貌及其特征 5.3疲劳断裂失效类型与鉴别 5.4疲劳断裂失效的原因与预防 第5章疲劳断裂失效分析 2?按应力循环次数 当Nf＞105时为低应力高周疲劳（通常所指） 当Nf＜10 4时为高应力低周疲劳?按服役的温度及介质条件 机械疲劳、高温疲劳、低温疲劳 冷热疲劳、腐蚀疲劳?基本形式 切断疲劳：面心立方在单向压缩、拉伸及扭转条件下多以切断形式破坏 正断疲劳：大多数的金属构件的疲劳失效都是以此形式进行的，特别是体心立方金属 3 ?疲劳断裂的突发性?疲劳断裂应力很低 ?疲劳断裂是一个损伤积累的过程?疲劳断裂对材料缺陷的敏感性?疲劳断裂对腐蚀介质的敏感性 4 典型的疲劳断口一般有三个区,即疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时破断区。疲劳断口的宏观特征与静载破坏的脆性断口相似，无明显的宏观塑性变形。 5 ?疲劳核心是疲劳破坏的起点，它总是位于零件强度最低或应力最高的地方。 ?零件承受弯曲、扭转疲劳负荷时，最大应力区是在零件的表面。 ?零件表面的加工刀痕、凹槽、尖角、台肩等处由于应力集中往往成为疲劳源。 ?如果零件内部存在缺陷，如脆性夹杂物、白点、空洞、化学成分的偏析等，则可能在零件内部产生疲劳源。 1、疲劳核心(或称疲劳源) 6 ù疲劳源的数目可以不止一个，在名义应力较高或是应力集中较为严重时，在高应力区域就可能产生几个疲劳源。 ù疲劳源的位置用肉眼或低倍放大镜就能判断，一般在疲劳区中磨得最光亮的地方。 ù在断口表面同时存在几个疲劳源的情况下，可按疲劳线的密度来确定疲劳源产生的次序，疲劳线的密度越大，表示起源的时间越早。
7 疲劳断口上最重要的特征区域 该区域上常有疲劳断裂独特的宏观标志，如贝纹状、蛤壳状、海滩波纹等。 贝纹线以疲劳源为中心，向四周推进呈弧形线条，垂直于 裂纹扩展方向。 对于光滑试样，疲劳弧线的圆心一般指向疲劳源区。扩展到一定程度时，也可能出现疲劳弧线的转向现象 当试样表面有尖锐缺口时，疲劳弧线的圆心指向疲劳源区的相反方向。 在低周疲劳断口上一般也不常能观察到贝壳状条纹线。 8 $疲劳裂纹达到临界尺寸后发生的快速破断,它的特征与 静拉伸断口中快速破坏的放射区及剪切唇相同,但有时仅出现剪切唇而无放射区。$对于非常脆的材料,此区为结晶状断口，即使是塑性良好的合金钢或铝合金，疲劳断件断口附近通常也观察不到宏观的塑性变形。 9 10 6与静载拉伸断裂时不同，拉压疲劳断裂的疲劳核心多源于表面而不是内部。缺口试样由于缺口根部有应力集中故靠近表面裂纹扩展快，结果形成波浪形的疲劳弧线。高应力导致疲劳稳定扩展区较小，而最终断裂区所占比例较大。 6旋转弯曲的疲劳源区一般出现在表面，但无固定地点，疲劳源可 以为多个。疲劳源区和最后断裂区相对位置一般总是相对于轴的旋转方向而逆转一个角度。而高应力集中时，最终撕裂面移向中心，呈现棘轮花样。交变扭转载荷也出现这种花样 6双向弯曲的疲劳源区可能在零件的两侧表面，最后断裂区在截面内部。在高名义应力下，光滑的和有缺口的零件瞬断区的面积都大于扩展区，且位于中心部位，形状似腰鼓形。随着载荷和应力程度的提高，瞬断区的形状逐渐变形成为椭圆形。在低名义应力下，两个疲劳核心并非同时产生，扩展速度也不一样，所以断口上的疲劳断裂区一般不完全对称，瞬断区偏离中心位置。 11 D第一阶段为切向扩展阶段。在交变应力作用下，使滑移形成的裂纹源扩展形成可观察的裂纹，裂纹尖端将沿着与拉伸轴呈45°角方向的滑移面扩展。该阶段中裂纹扩展范围较 小，一般在2~5个晶粒之内。 D第二阶段为正向扩展阶段。裂纹从原来与拉伸轴呈45 °的滑移面，发展到与拉伸轴呈90 °，该阶段的断口具有引人注目的独特形态－疲劳辉纹。 D第三阶段是由于裂纹扩展到一定长度后，使构件的有效截面减少而造成的一次性快速断裂，断口特征常为韧窝型撕裂。 12疲劳辉纹的一般特点 （1）疲劳裂纹是一系列基本上相平行的条纹，略带弯曲呈波浪形，并与裂纹局部扩展方向相垂直，其凸弧面指向裂纹扩展方向。 （2）在疲劳裂纹稳定扩展阶段，所形成的每一条辉纹相当于一次载荷循环。辉纹确定了裂纹前沿线在前进时的位置。（3）疲劳辉纹的间距随应力场强度因子而变化，应力越大，间距越宽；反之应力越小，则间距越窄。 （4）疲劳断口的微观范围内，通常由许多大小不同、高低不一的小断块组成，每一小断块上的疲劳辉纹连续且平行，而相邻小断块上的疲劳辉纹不一定连续和平行。（5）断口的两匹配面上的辉纹基本对应。