【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 機(jī)理 當(dāng)材料或結(jié)構(gòu)受到多次重復(fù)變化的載荷作用后，應(yīng)力水平雖然沒(méi)有超過(guò)材料的強(qiáng)度極限，甚至比彈性極限還低的情況下就可能發(fā)生破壞 ， 這種在交變載荷重復(fù)作用下，材料或結(jié)構(gòu)的發(fā)生破壞的現(xiàn)象，就叫做疲勞破壞。 材料或構(gòu)件疲勞性能的好壞是用疲勞強(qiáng)度來(lái)衡量的，所謂疲勞強(qiáng)度就是指材料或 西安石油大學(xué) 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 5 圖 12 低碳鋼經(jīng)過(guò) 60 分鐘的 SMAT后 硬度與 d1/2 的關(guān)系 構(gòu)件在交變載荷作用下的強(qiáng)度。疲勞強(qiáng)度的大小是用疲勞極限來(lái)衡量的，所謂疲勞極限就是指在一定循環(huán)特征 R 下，材料或構(gòu)件可以承受無(wú)限次應(yīng)力循環(huán) （ 或指定應(yīng)力循環(huán) ） 而不發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力幅 maxs ，一般用表示 rs 。因材料的疲勞極限隨加載方式和應(yīng)力比的不同而異，通常以對(duì)稱(chēng)循環(huán)下的疲勞極限 1s 作為材料的基本疲勞極限。疲勞壽命是疲勞失效時(shí)所經(jīng)受的應(yīng)力 或應(yīng)變的循環(huán)次數(shù)，一般用 N 表示。試樣的疲勞壽命取決于材料的力學(xué)性能和所施加的應(yīng)力水平，一般來(lái)說(shuō)，材料的強(qiáng)度極限越高，外加的應(yīng)力水平越低，試樣的疲勞壽命就越長(zhǎng) ； 反之，疲勞壽命就越短。表示這種外加應(yīng)力水平和試樣疲勞壽命之間關(guān)系的曲線稱(chēng)為材料 SN 曲線 。 實(shí)際構(gòu)件的疲勞破壞過(guò)程總可以明顯分為裂紋萌生，裂紋擴(kuò)展，最終斷裂三個(gè)過(guò)程。由于應(yīng)力集中，裂紋在此處萌生，稱(chēng)為疲勞源；形成疲勞裂 紋后，裂紋慢速擴(kuò)展，由于間歇加載或載荷幅度變化，在整個(gè)裂紋擴(kuò)展區(qū) 可以留下貝殼或海灘狀條帶，它們實(shí)際上是裂紋經(jīng)過(guò)多次張開(kāi)和閉合，表面相互摩 擦而留下的一條條的光亮的弧線標(biāo)記，即疲勞裂紋的前沿線；最后是疲勞斷裂區(qū)，它和靜態(tài)下帶尖銳缺口的斷口相似，塑性材料的斷口是纖維狀，脆性材料的斷口是結(jié)晶狀。 宏觀疲勞裂紋是零件在循環(huán)載荷的服役條件下由萌生的小裂紋（如由缺口處）逐漸長(zhǎng)大而成的。 而疲勞微觀裂紋都是由不均勻的局部滑移和顯微開(kāi)裂引起的，主要方式有表面滑移帶開(kāi)裂，第二相 、 夾雜物或其界面開(kāi)裂，晶界或亞晶界開(kāi)裂等。疲勞微裂紋萌生后即進(jìn)入裂紋擴(kuò)展階段，根據(jù)裂紋擴(kuò)展方向，裂紋擴(kuò)展可分兩個(gè)階段。第一階段是從個(gè)別侵入溝 （ 或擠出脊 ） 先形成微裂紋，然后再沿最大切應(yīng)力方向 向內(nèi)擴(kuò)展，在擴(kuò)展過(guò)程中多數(shù)裂紋會(huì)成為不擴(kuò)展裂紋，只有個(gè)別微裂紋會(huì)擴(kuò)展為 2~5 個(gè)晶粒范圍。由于第一階段的裂紋擴(kuò)展速率極低，而且其擴(kuò)展總進(jìn)程也很小，所以該階段的斷口常?？床坏绞裁葱蚊蔡卣鳎挥幸恍┎羵暮圹E。在一些強(qiáng)化材料中，有時(shí)可看到周期解理或準(zhǔn)解理花樣，甚至還有沿晶開(kāi)裂的冰糖狀花樣。第二階段是裂紋垂直拉應(yīng)力方向擴(kuò)展。由于晶界的阻礙作用，裂紋擴(kuò)展方向逐漸轉(zhuǎn)向垂直拉應(yīng)力方向，直到最西安石油大學(xué) 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 6 后形成剪切唇為止。該階段的斷口特征是具有略呈彎曲并相互平行的溝槽花樣，稱(chēng)為疲勞輝紋，或稱(chēng)為疲勞條紋 （ 條帶 ） 。它是裂紋擴(kuò)展時(shí)留下的微觀 痕跡，每一條帶可以視作一次循環(huán)的擴(kuò)展痕跡，裂紋的擴(kuò)展方向和疲勞條帶方向相垂直。 為什么金屬疲勞時(shí)會(huì)產(chǎn)生破壞作用呢？ 這是因?yàn)閺奈⒂^角度講，金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)并不均勻，從而造成對(duì)應(yīng)力傳遞的不平衡，有缺陷的地方會(huì)成為應(yīng)力集中區(qū)。與此同時(shí)，金屬內(nèi)部的缺陷處還存在許多微小的裂紋，在力的持續(xù)作用下，裂紋會(huì)越來(lái)越大，材料中能夠傳遞應(yīng)力部分越來(lái)越少，直至剩余部分不能繼續(xù)傳遞載荷時(shí)，金屬構(gòu)件就會(huì)全部毀壞，甚至在工作應(yīng)力遠(yuǎn)低于許用應(yīng)力的情況下突然斷裂，發(fā)生所謂的低應(yīng)力脆斷 [4]。在焊件的疲勞過(guò)程中，焊接殘余應(yīng)力會(huì)發(fā)生松弛現(xiàn)象。這是因 為焊件在疲勞載荷和焊接殘余應(yīng)力的共同作用下，焊件的材質(zhì)出現(xiàn)了損傷，使得材質(zhì)的性能下降，從而使焊接殘余應(yīng)力在原有的變形情況下重新分配。即通常所說(shuō)的應(yīng)力松弛現(xiàn)象 [5]。 各類(lèi)金屬材料在常態(tài)下都是由處于微米或亞微米級(jí)的晶粒構(gòu)成。通過(guò)特定的加工方法，可使金屬表面層幾十微米深度內(nèi)晶粒由微米變?yōu)榧{米。從而賦予材料更為優(yōu)異的理化與加工性能。金屬材料表面自身納米化 ， 簡(jiǎn)單地說(shuō) ， 是指對(duì)于具有多晶結(jié)構(gòu)的金屬材料，在外部球丸的持續(xù)沖擊下，其表面可以由粗晶組織逐漸細(xì)化至納米晶組織。表面自身納米化后 ， 金屬材料的主要特征是：晶粒尺寸從表 面起沿厚度方向逐漸增大；納米結(jié)構(gòu)表層與基體之間沒(méi)有明顯的界面。處理前后材料的外形尺寸基本不變 [6]。表面納米化可顯著提高材料的綜合性能，如耐磨性、疲勞強(qiáng)度、耐蝕性等，而且由于表面化學(xué)反應(yīng)活性增人，易于實(shí)現(xiàn)材料表面的選擇性化學(xué)反應(yīng) [8]。 表面 SMAT 處理為 材料賦予了獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，其 可能的 納米結(jié)構(gòu)表層能有效地抑制裂紋的萌生，而心部的粗晶組織又可以阻止裂紋的擴(kuò)展，因此可用于提高疲勞件的疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命。另外，表面 SMAT 處理 能夠?qū)崿F(xiàn)金屬焊縫的組織均一化和性能均一化，能明顯提高 焊接接頭 的疲勞性能，可望在焊縫件上 取得應(yīng)用 [12]。 通常，焊接組織中的焊 接接頭 和熱影響區(qū) （ HAZ） 的晶粒較粗大、組織不均勻、容易出現(xiàn)夾雜物，是開(kāi)裂的高發(fā)區(qū)。對(duì)焊接接頭進(jìn)行表面 SMAT 處理能夠顯著改善材料組織的不均勻性，進(jìn)而提高其疲勞性能 [13]。 在其他強(qiáng)烈塑性變形的方式下，材料都是經(jīng)過(guò)大量的宏觀塑性變形后才形成了超細(xì)晶組織，但對(duì)于經(jīng)過(guò)表面機(jī)械研磨處理的材料來(lái)說(shuō)，橫截面金相組織并未反應(yīng)出大的宏觀塑性變形量，例如晶界沒(méi)有發(fā)生明顯的相對(duì)位移，這說(shuō)明材料在表面機(jī)械研磨處理過(guò)程中的形變機(jī)制與其他強(qiáng)烈塑性變形獲得的超細(xì)晶材料存在一定的差異。圖13 為 低碳 鋼經(jīng)過(guò) 60 分鐘表面機(jī)械研磨處理后的金相組織。由橫截面組織可以看出，低碳 鋼表面附近區(qū)域經(jīng)過(guò)塑性變形后形成了流變組織，這與常規(guī)的冷加工組織相似，不同之處只是塑性變形沿厚度方向逐漸減小，如圖 13（ a） 所示。然而，由材料的正表面 （ 即處理表面 ） 觀測(cè)卻可以發(fā)現(xiàn)，在表面機(jī)械研磨處理方式下，材料表面附近任一小體積元內(nèi)的塑性變形是沿各種方向隨機(jī)發(fā)生的，如圖 13（ b） 所示。這種變形方西安石油大學(xué) 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 7 式與經(jīng)過(guò)常規(guī)冷加工的材料和由其他強(qiáng)烈塑性變形法制備的塊體超細(xì)晶材料中，沿某特定方向發(fā)生的塑性變形有著明顯的不同 [14]。 在表面機(jī)械研磨 處理過(guò)程中，外加載荷重復(fù)地作用于材料的表面，每次作用都會(huì)在材料的表面附近產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)力場(chǎng)，應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)任何一個(gè)小體積元都會(huì)沿不同的方向產(chǎn)生塑性變形，如圖 14 所示 [15]。當(dāng)后續(xù)載荷作用在材料表面的不同位置時(shí)，新產(chǎn)生應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)的小體積元又會(huì)沿其他的方向產(chǎn)生塑性變形。這樣，盡管材料的宏觀變形量很小，但是任何一個(gè)小體積元沿不同方向的微觀變形量的總和卻非常大，通過(guò)這種特殊的塑性變形方式可以使材料表層附近的晶粒細(xì)化之納米量級(jí)。 （ a） （ b） 圖 13 低碳綱經(jīng)過(guò) 60 分鐘 SMAT后的金相組織： （ a） 橫截面 （ b） 處理表面 圖 14 彈丸碰撞在材料表面附近產(chǎn)生的局部塑性變形 表面處理對(duì)疲勞壽命的影響 國(guó)內(nèi)外有關(guān)學(xué)者對(duì)一些金屬經(jīng)過(guò)不同時(shí)間表面研磨 （ SMAT） 處理后的橫截面的金相組織觀察，認(rèn)為材料的變形過(guò)程具有以下特點(diǎn) ： （ 1） 表面處理初期，變形優(yōu)先發(fā)生在一些特殊的晶粒中，晶界對(duì)塑性變形具有阻礙作用，使得同一層晶粒上的塑性變形呈現(xiàn)出不均勻性 ； （ 2） 塑性變形由表面開(kāi)始，并逐漸向深層延伸，但是由于晶粒取向的影響 ，深層晶粒也可能優(yōu)先發(fā)生變形，因此在沿厚度的方向上，塑性變形的演變也呈現(xiàn)出不均勻性 ； 西安石油大學(xué) 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 8 （ 3） 隨著處理時(shí)間的增加，表面附近的塑性變形逐漸均勻，變形層的厚度也逐漸增大，并趨于恒定值 [16]。 由文獻(xiàn) [16]可知 ， 疲勞裂紋一般在構(gòu)件的自由表面上形核，因此，構(gòu)件制造過(guò)程中的表面制備方法對(duì)疲勞裂紋萌生壽命有決定性的作用。近年來(lái)的研究成果表明，許多表面處理方法，如滲碳、氮化、火焰淬火、感應(yīng)淬火和噴丸等都使材料的近表面區(qū)域局部獲得高強(qiáng)度、高磨損阻力或高腐蝕阻力。此外，一些常用的機(jī)械加工方法，如磨削、拋光和銑削會(huì)使表面 粗糙度發(fā)生變化。粗糙表面上的溝痕會(huì)引起應(yīng)力集中，改變材料對(duì)疲勞裂紋形核的抗力。應(yīng)力集中對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響極大，并且是各種影響因素中起主要作用的因素，它大大降低了構(gòu)件的疲勞性能。除表面粗糙度之外，表面處理引起的殘余應(yīng)力對(duì)疲勞壽命也有重要的影響。熱處理、化學(xué)處理或機(jī)械處理都會(huì)在構(gòu)件上產(chǎn)生殘余應(yīng)力 [16]。 當(dāng)加工、表面處理和熱處理產(chǎn)生的殘余應(yīng)力疊加到疲勞載荷上時(shí)，就會(huì)改變疲勞循環(huán)的平均應(yīng)力和裂紋形核的疲勞壽命。一般說(shuō)來(lái)，殘余應(yīng)力對(duì)材料疲勞行為的影響方式與疊加在循環(huán)應(yīng)力幅上的靜機(jī)械應(yīng)力的影響方式相同。因此，如果表面 的殘余應(yīng)力是壓縮的，可以提高疲勞抗力 ： 如果是拉伸的，則起降低作用。對(duì)于高強(qiáng)度材料這一規(guī)律表現(xiàn)尤為明顯。在大應(yīng)力 （ 低疲勞壽命 ） 條件下，大幅度的應(yīng)力交變?nèi)菀资箽堄鄳?yīng)力弛豫 （ 在較軟的材料上表現(xiàn)更為明顯 ） ，因此表面處理引入的殘余應(yīng)力的有益作用變小。噴丸對(duì)疲勞壽命的提高兩個(gè)有利因素為噴丸導(dǎo)致的表面的殘余壓應(yīng)力和位錯(cuò)密度的增加，表面粗糙度的增加為疲勞壽命提高的不利因素。通常認(rèn)為表面殘余壓應(yīng)力是疲勞壽命提高的最主要原因。旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞和拉 － 壓疲勞是較常用的疲勞實(shí)驗(yàn)方法，噴丸產(chǎn)生的殘余應(yīng)力疊加外載荷后，材料表面所受拉應(yīng)力值降 低，疲勞裂紋將在表面以下殘余拉應(yīng)力區(qū)萌生，回避了表面對(duì)疲勞壽命影響的諸多不利因素 [16]。 疲勞循環(huán)應(yīng)力的增加，與殘余應(yīng)力 疊 加超過(guò)材料屈服強(qiáng)度后，會(huì)造成殘余應(yīng)力松弛，表面殘余應(yīng)力是不穩(wěn)定的，循環(huán)第一周即減小，減小幅度最大，循環(huán)壓應(yīng)力更容易導(dǎo)致殘余應(yīng)力的松弛，殘余應(yīng)力在循環(huán)載荷作用下的松弛與循環(huán)周數(shù)成對(duì)數(shù)關(guān)系 。對(duì)于 疲勞，當(dāng)應(yīng)變幅較大時(shí)，殘余應(yīng)力可完全消除，噴 丸使疲勞壽命降低，在應(yīng)變幅較小時(shí)，殘余應(yīng)力可部分保持，疲勞壽命提高 [17]。在高應(yīng)力幅時(shí) ,噴丸具有壞的影響，在低的應(yīng)力幅時(shí)噴丸具有好的影響 [18]。 材料 表層的殘余應(yīng)力狀態(tài)對(duì)材料性能有顯著的影響，已有很多研究成果證實(shí)，噴丸處理可以在試樣表面形成一定厚度的壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力可超過(guò) s 。關(guān)于殘余壓應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理，一般認(rèn)為是由于在彈丸每次撞擊力量的作用下，表面層會(huì)盡可能向四周展開(kāi)，但是受底層材料的阻止，于是在塑性變形層就產(chǎn)生了壓應(yīng)力。噴丸壓應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的分析，認(rèn)為一個(gè)彈丸與待處理表面相互作用產(chǎn)生壓痕，在壓痕的中心部位產(chǎn)生拉應(yīng)力，而壓痕的周?chē)a(chǎn)生壓應(yīng)力，噴丸處理后表面產(chǎn)生均勻一致的壓應(yīng)力是壓痕周?chē)鷫簯?yīng)力疊 加的結(jié)果 [15]。 西安石油大學(xué) 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 9 2 試驗(yàn)材料及方法 試驗(yàn)材料 本文研究的是目前國(guó)內(nèi) “西氣東輸”所用 石油天然氣長(zhǎng)輸管道 — X70 管線鋼。 對(duì)我國(guó)的石油天然氣管道發(fā)展有促進(jìn)作用。 試驗(yàn)所用樣品為 寶雞鋼管廠使用的 X70 管線鋼 卷材為研究材料， 取材為 帶有焊接接頭的部分管道。為了滿(mǎn)足試驗(yàn)要求，我們將含有焊接接頭的原材試樣 經(jīng)線切割機(jī) 加工成預(yù)先設(shè)計(jì)大小，其大小為 95 95（ mm2） ，厚度為 3mm， 進(jìn)行表面 SMAT 處理區(qū)域?yàn)?試樣中 部 灰色區(qū)域 60 60（ mm2） ， 加工試樣時(shí)盡可能將焊接接頭保留至試樣中心位置 。如圖 21： 圖 21 SMAT處理試樣示意 圖 表 21 為 X70 管線鋼組織成分 [4]： 表 21 X70 管線鋼組織成分 （ %） 元素 C Si Mn P S Nb V 含量 /% 元素 Ti Cu Ni Mo N Al 含量 /% 試驗(yàn)設(shè)備 （ 1） 采用箱式電阻爐 SX2512 對(duì) X70 管線鋼焊接接頭 試樣進(jìn)行去應(yīng)力退火。 （ 2） 應(yīng)用 SNC1 金屬材料表面納米化試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行表面 SMAT 處理。 （ 3） 應(yīng)用機(jī)械萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)得試樣的 bs 。 西安石油大學(xué) 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 10 （ 4） 應(yīng)用電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行 高應(yīng)力 低 頻 疲勞試驗(yàn)。 （ 5） 應(yīng)用 JSM6390A 掃描電子顯微鏡觀察疲勞斷口形貌及表面處理形貌。 試驗(yàn)方法 首先研究試樣的初始組織形貌 ，截取部分試樣，通過(guò)光 學(xué)顯微 鏡觀察其金相組織。由于試驗(yàn)所取樣品為管道卷材，其試樣內(nèi)部殘余應(yīng)力會(huì)影響疲勞性能，所以需要對(duì)比有無(wú)應(yīng)力對(duì)疲勞行為的影響，所以 采用箱式電阻 爐 SX2512 對(duì)試樣進(jìn)行去應(yīng)力退火。然后， 我們采用 SMAT（ Surface Mechanical Attrition Treatment） 方法，應(yīng)用 SNC1金屬材料表面納米化試驗(yàn)機(jī)對(duì)其退火和未退火的 X70 管線鋼埋弧焊接接頭 試樣進(jìn)行表面處理 。 將做完表面處理 后 的試樣應(yīng)用線切割機(jī)加工成疲勞試樣。 根據(jù)管道在輸送天然氣過(guò)程中所承受循環(huán)載荷的作用的背景，模擬實(shí)際管道在輸送天然氣過(guò)程中的受力狀態(tài)，選擇拉 － 拉疲勞試驗(yàn)。 進(jìn)一步 為了得到拉 － 拉疲勞試驗(yàn)的最大負(fù) 載 荷，我們必須先測(cè)得試樣的 bs ， 所以 應(yīng)用機(jī)械萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)得試樣的 bs 。 之后 應(yīng)用電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行 高應(yīng)力 低 頻 疲勞試驗(yàn)。最后應(yīng)用 JSM6390A 掃描電子顯微鏡觀察疲勞斷口形貌及表面處理形貌，并進(jìn)行分析。 SMAT 工藝參