疲劳断口的主要特点
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☆ǘ祁月ú☆回答:1人气:1提问时间:2010-01-20 14:51
答案
为便于分析研究，常按破坏循环次数的高低将疲劳分为两类：①高循环疲劳（高周疲劳）。作用于零件、构件的应力水平较低，破坏循环次数一般高于104～105的疲劳，弹簧、传动轴等的疲劳属此类。②低循环疲劳（低周疲劳）。作用于零件、构件的应力水平较高，破坏循环次数一般低于104～105的疲劳，如压力容器、燃气轮机零件等的疲劳。实践表明，疲劳寿命分散性较大，因此必须进行统计分析，考虑存活率（即可靠度）的问题。具有存活率p（如95％、99％、99.9％）的疲劳寿命Np的含义是：母体（总体）中有p的个体的疲劳寿命大于Np。而破坏概率等于（1－p ）。常规疲劳试验得到的S-N曲线是p＝50％的曲线。对应于各存活率的p的S-N曲线称为p-S-N曲线。
疲劳(2)
fatigue
材料、零件和构件在循环加载下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。
研究简史有记载的最早进行疲劳试验是德国的W.A.艾伯特。法国的J.-V.彭赛列首先论述了疲劳问题并提出“疲劳”这一术语。但疲劳研究的奠基人则是德国的A.沃勒，他在19世纪50～60 年代最早得到表征疲劳性能的S-N曲线并提出疲劳极限的概念。20世纪50年代P.J.E.福赛思首先观察到疲劳过程中在滑移带内有金属薄片挤出的现象。随后N.汤普孙等人发现这种滑移带不易用电解抛光去掉，称为“驻留滑移带”。后来证明，驻留滑移带常常成为裂纹源。1924年德国的J.V.帕姆格伦在估算滚动轴承寿命时，假设轴承的累积损伤与其转动次数成线性关系。1945年美国M.A.迈因纳明确提出了疲劳破坏的线性损伤累积理论，也称为帕姆格伦- 迈因纳定律，简称迈因纳定律。此后，断裂力学的进展丰富了传统疲劳理论的内容，促进了疲劳理论的发展。用概率统计方法处理疲劳试验数据，是20世纪20年代开始的。60
年代后期，概率疲劳分析和设计从电子产品发展到机械产品，于是在航空、航天工业的先导下，开始了概率统计理论在疲劳设计中的应用。
循环应力在工程上引起的疲劳破坏的应力或应变有时呈周期性变化，有时是随机的。在疲劳试验中人们常常把它们简化成等幅应力循环的波形，并用一些参数来描述。图1中σmax 和σmin 是循环应力的最大和最小代数值；γ＝σmin／σmax是应力比；σm＝（σmax＋σmin）／2是平均应力；σa＝（σmax－σmin）／2 是应力幅。当σm＝0时，σmax与σmin的绝对值相等而符号相反，γ＝－11，称为对称循环应力；当σmin＝0时，γ＝0称为脉动循环应力。
曲线S-N曲线中的S为应力（或应变）水平，N为疲劳寿命。S-N曲线是由试验测定的，试样采用标准试样或实际零件、构件，在给定应力比γ的前提下进行，根据不同应力水平的试验结果，以最大应力σmax或应力幅σa为纵坐标，疲劳寿命N为横坐标绘制S-N曲线（图2）。当循环应力中的σmax小于某一极限值时，试样可经受无限次应力循环而不产生疲劳破坏，该极限应力值就称为疲劳极限，图2中S-N曲线水平线段对应的纵坐标就是疲劳极限。而左边斜线段上每一点的纵坐标为某一寿命下对应的应力极限值，称为条件疲劳极限。
疲劳特征零件、构件的疲劳破坏可分为3个阶段：①微观裂纹阶段。在循环加载下，由于物体的最高应力通常产生于表面或近表面区，该区存在的驻留滑移带、晶界和夹杂，发展成为严重的应力集中点并首先形成微观裂纹。此后，裂纹沿着与主应力约成45°角的最大剪应力方向扩展，裂纹长度大致在0.05毫米以内，发展成为宏观裂纹。②宏观裂纹扩展阶段。裂纹基本上沿着与主应力垂直的方向扩展。③瞬时断裂阶段。当裂纹扩大到使物体残存截面不足以抵抗外载荷时，物体就会在某一次加载下突然断裂。对应于疲劳破坏的3个阶段，在疲劳宏观断口上出现有疲劳源、疲劳裂纹扩展和瞬时断裂3个区（图3）。疲劳源区通常面积很小，色泽光亮，是两个断裂面对磨造成的；疲劳裂纹扩展区通常比较平整，具有表征间隙加载、应力较大改变或裂纹扩展受阻等使裂纹扩展前沿相继位置的休止线或海滩花样；瞬断区则具有静载断口的形貌，表面呈现较粗糙的颗粒状。扫描和透射电子显微术揭示了疲劳断口的微观特征，可观察到扩展区中每一应力循环所遗留的疲劳辉纹。
疲劳寿命在循环加载下，产生疲劳破坏所需应力或应变的循环次数。对零件、构件出现工程裂纹以前的疲劳寿命称为裂纹形成寿命。工程裂纹指宏观可见的或可检的裂纹，其长度无统一规定，一般在0.2～1.0毫米范围内。自工程裂纹扩展至完全断裂的疲劳寿命称为裂纹扩展寿命。总寿命为两者之和。因工程裂纹长度远大于金属晶粒尺寸，故可将裂纹作为物体边界，并将其周围材料视作均匀连续介质，应用断裂力学方法研究裂纹扩展规律。由于S-N曲线是根据疲劳试验直到试样断裂得出的，所以对应于S-N曲线上某一应力水平的疲劳寿命N是总寿命。在疲劳的整个过程中，塑性应变与弹性应变同时存在。当循环加载的应力水平较低时，弹性应变起主导作用；当应力水平逐渐提高，塑性应变达到一定数值时，塑性应变成为疲劳破坏的主导因素。为便于分析研究，常按破坏循环次数的高低将疲劳分为两类：①高循环疲劳（高周疲劳）。作用于零件、构件的应力水平较低，破坏循环次数一般高于104～105的疲劳，弹簧、传动
轴等的疲劳属此类。②低循环疲劳（低周疲劳）。作用于零件、构件的应力水平较高，破坏循环次数一般低于104～105的疲劳，如压力容器、燃气轮机零件等的疲劳。实践表明，疲劳寿命分散性较大，因此必须进行统计分析，考虑存活率（即可靠度）的问题。具有存活率p（如95％、99％、99.9％）的疲劳寿命Np的含义是：母体（总体）中有p的个体的疲劳寿命大于Np。而破坏概率等于（1－p ）。常规疲劳试验得到的S-N曲线是p＝50％的曲线。对应于各存活率的p的S-N曲线称为p-S-N曲线。
环境影响某些零件、构件是在高于或低于室温下工作，或在腐蚀介质中工作，或受载方式不是拉压和弯曲而是接触滚动等，这些不同的环境因素可使零件、构件产生不同的疲劳破坏。最常见的有接触疲劳、高温疲劳、热疲劳和腐蚀疲劳。此外，还有微动磨损疲劳和声疲劳等。①接触疲劳。零件在高接触压应力反复作用下产生的疲劳。经多次应力循环后，零件的工作表面局部区域产生小片或小块金属剥落，形成麻点或凹坑。接触疲劳使零件工作时噪声增加、振幅增大、温度升高、磨损加剧，最后导致零件不能正常工作而失效。在滚动轴承、齿轮等零件中常发生这种现象。②高温疲劳。在高温环境下承受循环应力时所产生的疲劳。高温是指大于熔点1／2以上的温度，此时晶界弱化，有时晶界上产生蠕变空位，因此在考虑疲劳的同时必须考虑高温蠕变的影响。高温下金属的S-N曲线没有水平部分，一般用107～108次循环下不出现断裂的最大应力作为高温疲劳极限；载荷频率对高温疲劳极限有明显影响，当频率降低时，高温疲劳极限明显下降。③热疲劳。由温度变化引起的热应力循环作用而产生的疲劳。如涡轮机转子、热轧轧辊和热锻模等，常由于热应力的循环变化而产生热疲劳。④腐蚀疲劳。在腐蚀介质中承受循环应力时所产生的疲劳。如船用螺旋桨、涡轮机叶片、水轮机转轮等，常产生腐蚀疲劳。腐蚀介质在疲劳过程中能促进裂纹的形成和加快裂纹的扩展。其特点有：S-N 曲线无水平段；加载频率对腐蚀疲劳的影响很大；金属的腐蚀疲劳强度主要是由腐蚀环境的特性而定；断口表面变色等。发展趋势飞机、船舶、汽车、动力机械、工程机械、冶金、石油等机械以及铁路桥梁等的主要零件和构件，大多在循环变化的载荷下工作，疲劳是其主要的失效形式。因此，疲劳理论和疲劳试验对于设计各类承受循环载荷的机械和结构，成为重要的研究内容。疲劳有限寿命设计中进行寿命估算，必须了解材料的疲劳性能，以此作为理论计算的依据。由于疲劳寿命的长短取决于所承受的循环载荷大小，为此还必须编制出供理论分析和全尺寸疲劳试验用的载荷谱，再根据与各种疲劳相适应的损伤模型估算出疲劳寿命。疲劳理论的工程应用，经历了从无限寿命设计到有限寿命设计，有限寿命设计尚处于完善阶段。发展趋势是：①宏观与微观结合，探讨从位错、滑移、微裂纹、短裂纹、长裂纹到断裂的疲劳全过程，寻求寿命估算各阶段统一的物理-力学模型。②研究不同环境下的疲劳及其寿命估算方法。③概率统计方法在疲劳中的应用，如随机载荷下的可靠性分析方法，以及耐久性设计等。
疲劳
材料承受交变循环应力或应变时所引起的局部结构变化和内部缺陷发展的过程。它使材料的力学性能下降并最终导致龟
裂或完全断裂。
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
发动机叶片高周疲劳失效分析 090605 鲍海滨 摘要：为了降低航空发动机叶片的高循环疲劳失效。分析了导致高循环疲劳失效的原因、失效准则，以及一种研究材料多轴高周疲劳的新途径。 关键词：航空发动机叶片高循环疲劳失效 1 引言 航空发动机结构完整性和可靠性设计，对满足现代高性能航空发动机高推重比(高功质比)、高适用性、高可靠性、耐久性和低成本的要求起着至关重要的作用。采用先进的气动设计和先进结构、新材料、新工艺是现代高性能航空发动机最重要的特征，而无论是先进的气动设计，还是先进的结构、材料和工艺，都必须建立在结构完整性和可靠性的基础上。 航空发动机结构完整性和可靠性方面的不足严重地制约着在研发动机的研制目标和周期。在中国航空发动机研制过程中，科研人员最深刻的体会是，相对而言实现发动机性能指标的周期要短一些，也有一些有效的办法，而大量的结构完整性和可靠性问题特别是叶片断裂故障却显著地影响着发动机的质量和设计定型的周期。 导致叶片断裂失效的原因是多方面的[1，2]，根据不同的参考标准和参量，疲劳断裂二级失效模式如图1所示[3] 据统计，在燃气涡轮发动机中，由高循环疲劳引发的事故约占总事故的25%。因此，最大限度地降低航空发动机叶片高循环疲劳失效是最现实、亟待解决的任务。
根据频率 根据应力大小 根据温度 穿晶型疲劳断裂 沿晶型疲劳断裂 剪切型疲劳断裂 正断型疲劳断裂 晶格型 非晶格型 机械疲劳断裂 热疲劳断裂 拉—压疲劳断裂 弯曲疲劳断裂 扭转疲劳断裂 接触疲劳断裂 低温疲劳断裂 高温疲劳断裂 机械疲劳断裂 腐蚀疲劳断裂 应力疲劳断裂 应变疲劳断裂 高周疲劳断裂 低周疲劳断裂 高频疲劳断裂 低频疲劳断裂 室温疲劳断裂 图1 疲劳二级失效模式分类 2 高周疲劳失效的影响因素 2.1名义应力的影响 很早的时候就确认名义应力会引起失效。125年前Wohler[4]发现随着名义拉应力的增加引起失效的交变应力幅将随之减少。后来Gerber[5]提出抛物线关系理论，即应力幅与名义应力间存在着抛物线关系，相应于零幅值交变应力的名义应力极限等于材料的拉伸极限。Goodmen用对称交变应力和名义应力的线性关系代替抛物线关系增加了设计的安全裕度。事实上，设计中很多有疲劳极限低于此直线值，Goodmen曲线实为一种保守设计。Miller 用循环应力代替但相对屈服应力对这一理论作了另一种解释。 令人惊讶的是，这些理论中的关系式没有一条被试验验证。而我们却已把这些理论广泛用于工程实际，因此使用诸如Goodmen这些保守理论并非有什么不合理。还有一种情况我们引起注意，即压应力并不减少改变许用的交变载荷。事实上，平均压应力常会增加疲劳强度，所以对于设计计算，疲劳强度考虑成与零平均应力的疲劳强度相一致。
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。
高强度钢超高周疲劳特性试验研究 大连海事大学 李治彬 姜 华 黑龙江船检局 邵长青 摘要 该文介绍了以20kH z 超声波振动疲劳试验机对三组55SC7高强度钢试材作超高周疲劳 特性试验研究。试验结果表明:在高周区及超高周区S 2N 曲线呈下降趋势,与传统假设完全不一; 疲劳强度并不随其硬度(H v )及弹性极限(σb )的提高而提高;疲劳裂纹萌生于试件内部,主要由硫化物和钙化物等杂质所致。 关键词 材料性能 高强度钢 超声波振动 试验研究 作者简介:李治彬,男,1950年生,教授,巴黎C NAM 博士研究生。 1 前 言 在航空、航天、汽车及造船等工程领域内,以往 人们主要考虑和研究材料低周疲劳强度(小于106周),而对于高周(大于106周)疲劳强度的确定,一般只采取某处假设与近似方法。传统的假设认为高周疲劳强度是不变的,即认为材料的应力与寿命曲线(S —N 曲线)在高周区呈水平线,大于106周的疲劳强度与106周的疲劳强度是一样,试件在高周寿命区不会出现破坏。 这主要是因为一般的疲劳试验机,要进行高周疲劳试验研究是根本不可能的。一个30H z 的疲劳试验机,要完成一个试件的1010周的疲劳试验需11年;要进行一组几十个试件的试验需几百年时间。 然而,本文介绍了采用20kH z 的超声波振动疲劳试验机后,一个试件的疲劳寿命试验,106周不到一分钟,109周需15小时,达到1010周只需6天时间。而从试验结果的S 2N 曲线看,曲线在106周并没有明显变化,直到1010周后曲线并没有变成水平渐近线,而是呈下降趋势,试件依然折断。这说明与传统的假说完全不同。 2 疲劳试验 2.1 试验设备 图1为20kH z 超声波振动疲劳试验机。该试验 机的原理主要是由压电发生器产生20kH z 的振动,并为转换器提供一个正弦波的振动源,转换器将电波转换成机械振动,再由一个放大器将机械振动位 移放大,试件被连接在放大器上并与放大器一起产生一个20kH z 的共振。经计算,可算出位移与应力之间的关系,并可以通过计算机算出给定位移的相应应力值,从而可得到每个试件的疲劳周数与应力值的关系曲线(S 2N 曲线) 。 图1 试验系统 2.2 试件尺寸与形状 试件尺寸与形状如图2所示 。 图2 试件几何形状及尺寸 试件必须设计成:其自振频率为20kH z ,试件中心区域为0≤x ≤L 2,试件尺寸(mm )R 0=31、R 1=1. 25、R 2=3.25、L 2=10.95、L =41.2,弹性模量E d = 2001年 船 舶 工 程 第2期
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
EA1N车轴材质高周疲劳性能研究 摘要：对国产EA1N材质车轴疲劳性能进行研究，分别对不同含碳量的EA1N 车轴光滑小试样和缺口小试样进行高周旋转弯曲试验，进过107次旋转弯曲循环负载后，试样50%以上试样未有损伤或断裂。含碳量较高的试样疲劳强度更高。 关键词：EA1N材质车轴疲劳缺口试样 Study of Fatigue Behavior in the High-Cycle Regime in EA1N Axles Steel CUI Yong Liang，、XU Jun Sheng、LEI Jian Zhong （TAI YUAN HEA VY INDUSTRY CO.，LTD WHEEL&AXLE SUBCOMPLANY） abstract：Has studied the Fatigue Behavior fo EA1N Axles Steel in the High-Cycle Regime .EA1N axles of different carbon content of smooth specimens and notched specimens of high cycle rotating bending test，After 107 times of rotating bending cyclic load，the sample more than 50% specimens without injury or fracture. Higher carbon content of the sample higher fatigue strength. Key words：EA1N Axles、Fatigue Behavior、notched specimen 序言 车轴是机车车辆的关键行走部件之一，它的断裂将导致列车脱轨，由于机车车辆在不同的线路工况下行驶，装载条件时常发生变化，其负荷条件也时常发生变化，使得车轴承受着极为复杂的随机载荷，这些载荷主要是以交变载荷的形式存在，因此车轴是一个典型的疲劳件，常会发生疲劳破环，。随着机车车辆高速重载的发展，对车轴材质的抗疲劳性能研究是至关重要的。EA1N材质是欧洲铁路车轴广泛应用的一种车轴材质。EN13261是世界上最先进的车轴标准之一，不仅对车轴的机械性能、化学成分等做了要求，而且对车轴材质疲劳性能做了要求，本文就不同含碳量国产EA1N材质车轴疲劳性能做了试验研究。为国产EN1N 材质车轴可靠性评价做了试验基础。 1.试样制备 试验材料选用太原钢铁集团有限公司EA1N材质轧制方坯，由太重轮轴分公司生产的车轴。试样轴T1和T2化学成分符合见表1，车轴轮座1/2R处性能见表2 表1 EA1N车轴材质化学成分
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?