典型斷口的宏觀觀察和微觀分析

在工程應(yīng)用中，結(jié)構(gòu)件所受的應(yīng)力總是低于材料的屈服強(qiáng)度q（。0.2）。通常，在低于屈服強(qiáng)度的應(yīng)力作用下，材料既不會發(fā)生塑性變形，更不會發(fā)生斷裂。但是，在應(yīng)力的重復(fù)作用下，即使所受的應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度，材料也有可能發(fā)生斷裂。這種現(xiàn)象便稱為疲勞現(xiàn)象。引起疲勞斷裂的應(yīng)力常低于材料的屈服強(qiáng)度，在這種情況下，疲勞斷裂前不發(fā)生明顯的塑性變形。所以疲勞斷裂通常屬于低應(yīng)力脆性斷裂。一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私鉁y定材料疲勞極限的方法；觀察疲勞失效和慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)的宏觀斷口特征。二、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)材料X80、X90管線鋼。PLD-50KN-250NM拉扭疲勞試驗(yàn)機(jī)和PLT-10慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)機(jī)。VHX-600E超景深顯微鏡三、 實(shí)驗(yàn)原理金屬疲勞試驗(yàn)方法1-1)，經(jīng)歷1-1)，經(jīng)歷N1次循環(huán)后，發(fā)生max 1r=—min

max稱為循環(huán)特征或應(yīng)力比。在既定的r下，若試樣的最大應(yīng)力為b疲勞失效，則N.稱為最大應(yīng)力r為時(shí)的b疲勞壽命（簡稱壽命）。實(shí)驗(yàn)表明，在同一循環(huán)1 max特征下，最大應(yīng)力越大，則壽命越短；隨著最大應(yīng)力的降低，壽命迅速增加。表示最大應(yīng)力bmax與壽命N的關(guān)系曲線稱為應(yīng)力-壽命曲線或S-N曲線。碳鋼的S-N曲線如圖1所示。由圖可見，當(dāng)應(yīng)力降到某一極限值b時(shí)，S-N曲線趨近于水平線。即應(yīng)力不超過b時(shí)，壽命N可無rr限增大。稱為疲勞極限或持久極限。下標(biāo)r表示循環(huán)特征。實(shí)驗(yàn)表明，黑色金屬試樣如經(jīng)歷107次循環(huán)仍未失效，則再增加循環(huán)次數(shù)一般也不會失效。故可把107次循環(huán)下仍未失效的最大應(yīng)力作為持久極限b。而把N0=1O7稱為循環(huán)基數(shù)。r0有色金屬的S-N曲線在N>5X108時(shí)往往仍未趨于水平，通常規(guī)定一個(gè)循環(huán)基數(shù)N0，例如取N0=108，把它對應(yīng)的最大應(yīng)力作為“條件”持久極限。圖1疲勞試驗(yàn)S-N曲線工程問題中，有時(shí)根據(jù)零件壽命的要求，在規(guī)定的某一循環(huán)次數(shù)下，測出b ，并稱之max

為疲勞強(qiáng)度。它有別于上面定義的疲勞極限。疲勞試驗(yàn)常采用循環(huán)加載，其加載波形如圖2所示扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)在PLD-100KN型拉-拉電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)時(shí)，采用應(yīng)力控制，加載頻率為5Hz,加載波形為三角波，試驗(yàn)環(huán)境為實(shí)驗(yàn)室大氣。四、實(shí)驗(yàn)方法試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)疲勞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)可參照GB/T12443-2007《金屬材料扭應(yīng)力疲勞試驗(yàn)方法》和GB3075-80《金屬軸向疲勞試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)。試樣疲勞試樣的主要有圓柱形、漏斗形、板狀，如圖3所示。3.試驗(yàn)參數(shù)的確定軸向應(yīng)力由下式求得：

FF（1-4）。由于試驗(yàn)機(jī)部（1-4）（1-5）C（1-4）。由于試驗(yàn)機(jī)部（1-4）（1-5）兀r2 ab式中，F(xiàn)為軸向應(yīng)力，r為試驗(yàn)件的半徑。試驗(yàn)過程中試驗(yàn)機(jī)的夾頭以一定的位移速度移動，試樣即以慢恒速（AL/At）拉伸分的剛度比試樣高的多，所以試樣伸長AL可用卡頭的相應(yīng)位移來代替。可按照下式計(jì)算AL￡二 L0AL1 1AL￡==LAtLAto0式中：￡-工程應(yīng)變；L°-試樣標(biāo)矩長度；￡-應(yīng)變速率；AL/At-夾頭的位移速度。當(dāng)夾頭移動速度保持恒定時(shí)，可認(rèn)為試樣的應(yīng)變速率保持不變。但嚴(yán)格地說，試樣的應(yīng)變速率應(yīng)該是1AL，L為瞬時(shí)標(biāo)矩長度。事實(shí)上，在整個(gè)試驗(yàn)過程中L是一個(gè)變量，所以試樣的應(yīng)變速率在整個(gè)試LAt0驗(yàn)過程中并不是恒定的量，而是變量。特別是對韌性金屬材料拉伸時(shí)，一旦出現(xiàn)頸縮，則在頸縮區(qū)的實(shí)際應(yīng)變速率可能會增加一個(gè)數(shù)量級。這就有可能使試樣的應(yīng)變速率進(jìn)入或者偏離臨界應(yīng)變速率范圍。預(yù)制裂紋試樣裂紋尖端塑性區(qū)尺寸如果保持相同，則應(yīng)變速率也保持在一恒定值。因此，用預(yù)制裂紋試樣做慢應(yīng)變速率試驗(yàn)要比采用普通的光滑試樣更為合適、方便。五、 試樣的制備取樣及要求試驗(yàn)取樣部位、取向和方法按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和雙方協(xié)議。同一批試樣所用材料應(yīng)為同一牌號和同一爐號，并要求質(zhì)地均勻沒有缺陷。疲勞強(qiáng)度與試樣取料部位、鍛壓方向等有關(guān)，并受表面加工、熱處理等工藝條件的影響較大。機(jī)加工所有的機(jī)械加工不允許改變試樣的冶金組織或力學(xué)性能，且引起的試樣表面加工硬化應(yīng)盡可能小。磨削精加工較硬材料的試樣時(shí)，應(yīng)提供足夠的冷卻液，確保試樣表面不過熱。工作部分與過度圓弧的連接應(yīng)光滑，不應(yīng)出現(xiàn)機(jī)加工痕跡。表面拋光拋光后，試樣工作部分的表面粗糙度R的允許最大值為0.32卩ma六、 試驗(yàn)過程安裝試樣將試樣緊固于試驗(yàn)機(jī)上，使試樣與試驗(yàn)機(jī)夾頭保持良好同軸；試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置；疲勞試驗(yàn)包括軸向應(yīng)力幅、平均應(yīng)力、試驗(yàn)頻率，應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)包括橫梁位移速度，試樣面積等；測定試樣的疲勞和應(yīng)力腐蝕性能七、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理1.記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪出相關(guān)曲線；

試驗(yàn)結(jié)束后使用酒精清洗斷口，用吹風(fēng)機(jī)吹干，測量測量斷后伸長率斷面收縮率等相關(guān)指標(biāo)；使用超景深顯微鏡可以觀察斷口截面宏觀形貌；使用掃描電鏡可以進(jìn)一步觀察斷口的微觀形貌；斷口觀察結(jié)束后及時(shí)保存斷口，避