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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：maxmin 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。
疲劳断裂的断口特征疲劳断裂是指材料在反复加载下发生的断裂现象，通常发生在金属材料中。
与静态加载下的断裂不同，疲劳断裂的断口特征具有一些独特的特点。
本文将详细介绍疲劳断裂的断口特征。
1.断口形态：疲劳断裂的断口通常呈现出平面状的特点。
与静态断裂相比，疲劳断裂的断口形态更为平整，几乎没有韧突。
这是因为在疲劳断裂发生时，材料受到反复加载，导致断裂表面的塑性变形局部消失，使断口面显得平滑。
2.断口特征：疲劳断裂的断口通常呈现出沿着材料加载方向的特征。
即在金属材料的拉伸方向上会出现沿着材料加载方向延展的沟槽状断裂面。
这是因为在疲劳断裂过程中，裂纹的扩展方向通常与应力主轴方向（加载方向）垂直。
断口上也常见到横向的细小裂纹。
3.层状纹理：疲劳断裂的断口表面常常呈现出层状纹理。
这是由于疲劳断裂过程中，材料内部的裂纹扩展速度会与外部加载频率一致，导致断口形成沿裂纹扩展方向的“疲劳纹”或称为“疲劳条纹”。
这些纹理一般与材料的晶粒方向垂直，并且逐渐扩展进入材料内部。
4.波纹状断口：疲劳断裂的断口表面通常呈现出波纹状的特征。
这是由于裂纹在扩展过程中会遇到不同的晶粒，在晶粒界面处会发生细小的局部塑性形变，导致断口表面呈现出波浪状。
5. 轭型断口：在一些情况下，疲劳断裂的断口会呈现出轭型（chevron）的特征。
轭型断口是指裂纹扩展迅速并呈现出V字形的形状，类似于牛轭。
这种断口形态通常出现在晶粒细小且均匀的材料中，例如高强度钢。
6.焊缝位置：在焊接结构中，疲劳断裂通常在焊缝附近发生。
这是由于焊接过程中引入了应力集中、晶界腐蚀等因素，导致焊缝附近的材料更容易发生疲劳断裂。
总之，疲劳断裂的断口特征包括平面状的断口形态、沿加载方向的断口特征、层状纹理、波纹状断口、轭型断口等。
这些断口特征能够帮助工程师分析疲劳断裂的原因，并采取相应的措施预防疲劳断裂的发生。
疲劳断裂过程和断口的特征
疲劳断裂是材料在反复应用或循环载荷作用下，逐渐累积损伤最终导致破坏的一种现象。
这种断裂过程通常非突发性，而是随着时间推移而缓慢发展。
疲劳断裂的过程大致可以分为三个阶段：裂纹的形成（初始疲劳阶段）、裂纹的扩展以及最终的快速断裂。
1.（裂纹形成阶段：这个阶段发生在材料表面或近表面微小缺陷处，由于循环载荷的作用，这些区域会产生应力集中，并开始形成微裂纹。
这个阶段中，裂纹通常沿着与最大剪切应力方向成45度角的方向扩展，并且裂纹增长速率相对较慢。
2.（裂纹扩展阶段：随着时间的推移和循环次数的增加，裂纹将逐渐扩大。
在宏观上，可以观察到裂纹沿着垂直于施加载荷方向扩展，形成所谓的“疲劳海滩花纹”或“条纹线”，这是由于载荷变化引起的裂纹前进速度不一所致。
此阶段的断口通常比较平坦，有时呈现颗粒状或纤维状特征。
3.（最终断裂阶段：当裂纹达到临界尺寸，剩余截面无法承受应用载荷时，材料将发生快速的断裂。
这个阶段的断口往往呈现出较粗糙的、有剪切唇的特征，这是由于在最后断裂过程中，材料在局部区域经历了较大的塑性变形。
疲劳断口的显著特征包括有起始点或疲劳源区、裂纹扩展区和快速断裂区。
起始点往往是材料表面的缺陷、刻痕或内部夹杂物。
裂纹扩展区可能表现出典型的疲劳辉纹，它们是因裂纹前缘不断前进而在断口面上形成的条带状痕迹。
快速断裂区则显示出过载后的粗糙断口，有时伴有剪切唇。
了解疲劳断裂过程和断口特征对于材料的疲劳寿命预测、结构设计和失效分析具有重要意义。
通过仔细检查断口特征，可以识别出疲劳裂纹的起源，分析裂纹扩展的历史，从而为改进材料性能和预防未来疲劳失败提供依据。
疲劳断裂的断口特征
疲劳断裂的断口特征一般有以下几点：
1、断口两侧，断面往往显示“凸片”状，即断口处物体两端向中心高度增加，断面有锥形；
2、断口的内角棱角出现明显的微粗糙，或者明显的细毛状和钩状；
3、断口多数是突起性的，且往往呈滑刃状；
4、断口有沿断面纵向痕迹，称为疲劳痕迹；
5、断口周围边缘有断口缠芯，或钝边缘，或有断口状破片；
6、磨酸测试显示，断口上有微小淬硬区，或有高温区；
7、断口周围往往有明显的弹塑效应，断口往往缩小；
8、断口上结晶方向发生变化，称为结晶析变；
9、断口的开口大小变化很大，明显大于普通裂纹的断口开口；
10、断口多呈紫色或暗色变化。
疲劳与断裂
土木工程与力学学院
1.4疲劳断口宏观特征
这是某飞机机轮铸造镁合金轮毂的疲劳断口照片，从中可以看到疲劳破坏断口的一些宏观特征。
特点一：有裂纹源、疲劳裂纹扩展区和最后的瞬时断裂区三个部分。
裂纹源：
瞬时断裂区：
裂纹扩展区：
疲劳裂纹最早萌生的地方。
瞬间断裂形成的新鲜断面；
紧邻瞬时断裂区；
特点二：裂纹扩展区断面较光滑平整，通常可见“海滩条带”，有腐蚀痕迹。
在裂纹扩展过程中，上下裂纹表面之间不
断地张开、闭合，相互摩擦；
在环境氧化或其他腐蚀介质侵蚀下，裂纹
扩展区常常还会留有腐蚀痕迹。
在环境氧化或其他腐蚀介质侵蚀下，裂纹
扩展区常常还会留有腐蚀痕迹。
特点三：裂纹源通常位于高应力或高应变的局部。
裂纹源一般是一个，也可以有多个。
裂纹
起源于高应力区，而高应力区通常在材料表
面（几何突变）或者夹杂、空隙等缺陷处。
特点四：没有明显的塑性变形。
将发生疲劳断裂破坏后的断口对合在一起，一般都能吻合
得很好。
这表明在疲劳破坏之前，并未发生大的塑性变形。
显
著
区
别这一点是材料发生疲劳破坏与在简单
拉伸条件下发生静强度破坏的
特点四：表面裂纹，一般呈半椭圆形。
起源于表面的裂纹，在循环载荷的作用下，通常沿表面方
向扩展较快，而沿深度方向扩展较慢，从而形成半椭圆形。
表面方向扩展
深度方向
扩展
较快较慢。
焊接结构的失效形式焊接结构的失效形式有：脆性失效、塑性失效、疲劳失效、应力腐蚀失效等。
下面就常见的几种失效的特征及断口特点作具体分析。
一脆性失效：1 脆性失效的特征：脆性断裂是焊接结构的一种最为严重的断裂失效。
通过脆性断裂失效都在实际应力低于结构设计应力下发生，断裂时无显著的塑性变形，具有突发破坏的性质，往往造成重大损失。
脆性断裂在工程结构中是一种非常危险的破坏形式。
其特点是裂纹扩展迅速，能量消耗远小于韧性断裂，而且很少发现可见的塑性变形，断裂之前没有明显的征兆，而是突然发生。
脆性断裂断口表面发亮，呈颗粒状，属于平直类型，是在平面应变状态下发生的。
同时，脆性断裂是在低应力条件下发生的，因而这种断裂往往带来恶性事故和巨大损失。
2 脆性断裂断口的宏观分析：脆性断裂断口在宏观上有小刻面和放射状或人字花样两种形式。
脆性断口穿晶结晶面为解理面，在宏观上呈无规则取向。
将脆性断口在强光下转动时，可见到闪闪发光的特征。
一般称这些表面发亮呈颗粒状的小平面为“小刻面”．即解理断口是由许多“小刻面”组成的。
因此，根据这个宏观形貌很容易判别解理断口；放射状或人字花样是脆性断口的另一个宏观形貌特征。
人字花样指向裂纹源，其反向即倒人字为裂纹扩展方向。
因此，可以根据人字花样的取向，很容易地判断裂纹扩展方向及裂纹源的位置。
另外，放射状花样的收敛处为裂纹源，其放射方向均为裂纹的扩展方向。
二塑性失效：1 塑性失效的特征：塑性断裂的特点是金属断裂时伴随有明显的塑性变形并消耗大量能量。
由于塑性断裂是在大量塑性变形后发生的，结构断裂后在受力方向上会留下较大的残余变形，在断口附近有肉眼可见的挠曲、变粗、缩颈等。
塑性变形常使容器直径增加和壁厚减薄。
在大多数材料中，拉伸塑性断口呈灰色纤维状，宏观上分为平直面和剪切面。
2垫性断裂断口的宏观分析：由于显微空洞的形成、长大和聚集，最后形成锯齿形纤维状断口。
这种断裂形式多属穿晶断裂，因此断口没有闪烁的金属光泽而是呈暗灰色。
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。
