【導(dǎo)讀】態(tài)度進(jìn)行工作，虛心接受教師的指導(dǎo)。要充分綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)積極探索，勇于。創(chuàng)新，獨(dú)立完成畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）。處理工藝與試樣的高應(yīng)力低頻疲勞行為之間的規(guī)律。資料翻譯不少于15000印刷符號(hào)。論文字?jǐn)?shù)應(yīng)在20210字以上，其中包括文獻(xiàn)綜述，查閱資料15篇以上。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的撰寫(xiě)要符合《西安。石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）撰寫(xiě)規(guī)范》的要求。同時(shí)，對(duì)比了退火和未退火試樣，表明經(jīng)過(guò)去應(yīng)力退火。通過(guò)光學(xué)金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡對(duì)比觀察表面處理和未處理試樣的微觀組?？?，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)表面處理后的組織晶粒細(xì)小，但其表面微裂紋也增多。處理后疲勞性能下降的主要原因。

　　

【正文】 細(xì)化。但是，在 SMAT60 分鐘 上的試樣存在許多剝離層。我們認(rèn)為這是由兩個(gè)原因造成的： （ 1） 由于試驗(yàn)儀器中一些客觀原因造成的，例如，固定試樣的卡盤(pán)螺母硬度不西安石油大學(xué) 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 20 夠，導(dǎo)致在 表面處理 過(guò)程中，使螺母上的鐵屑污染到了試樣表面，致使樣品表面高低不平； （ 2） 也可能由 于 SMAT 處理 時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致樣品表面有剝落現(xiàn)象 ，出現(xiàn)較明顯的微裂紋 。 經(jīng)過(guò)對(duì)比 SMAT 處理 60 分鐘 比 SMAT 處理 30 分鐘 的試樣表面更加坑凹不平。造成這樣結(jié)果的原因可能是由于 表面機(jī)械研磨 處理的參數(shù)不盡合理。 SMAT 處理時(shí) 的丸徑過(guò)大， SMAT 處理距離過(guò)大所導(dǎo)致，造成處理之后的表面出現(xiàn)了 電鏡下看到的 部分微裂紋 。 由圖 38 可見(jiàn)， SMAT 處理后，試樣的表面粗糙度有所增加。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，很多情況下，試樣的表面粗糙度對(duì)疲勞強(qiáng)度等性能有很大的影響，因此對(duì)其有一定的要求。同時(shí)，表面粗糙度的大小也直接影響了表面處理技術(shù) 在上程上的應(yīng)用。 由圖 38（ c） 、 （ d） ，表面存在或多或少的彈坑，它們相當(dāng)于一個(gè)個(gè)的微觀缺口，所表現(xiàn)出來(lái)的微觀缺口引起的應(yīng)力集中和試樣的缺口根部的應(yīng)力集中相疊加，使應(yīng)力集中程度加劇。同時(shí)， 表面處理 很可能對(duì)表面造成損傷，如圖 38（ e） ， 還有 U 型缸的氣密性不夠好，導(dǎo)致高溫氧化，造成坑蝕， 這種表面損傷是 預(yù)置 的裂紋源，使疲勞裂紋從表面產(chǎn)生，并由于減少了裂紋源萌生的時(shí)間，使疲勞極限降低。 我們進(jìn)一步觀察 表面機(jī)械研磨 處理表面的橫截面。 經(jīng)過(guò) SMAT 處理之后的試樣，其表層出現(xiàn)致密組織，可能為納米晶組織。 明顯觀察到 SAMT 處理 60 分鐘 比 SAMT處理 30 分鐘 的表面 塑性變形 層要厚許多。 在強(qiáng)化層中可以明顯看到晶粒細(xì)化 ， 由于該強(qiáng)化層的存在， 發(fā)生加工硬化， 對(duì)抑制疲勞裂紋的擴(kuò)展、提高疲勞壽命起到一定的作用。在某些情況下殘余應(yīng)力雖然部分和完全松弛，但是疲勞壽命仍然提高，歸因這層表面強(qiáng)化層的位錯(cuò)密度對(duì)疲勞壽命的提高起有益作用 。 如下圖 39。 （ a） SMAT處理 30分鐘 （ b） SMAT處理 60 分鐘 圖 39 X70 管線鋼 SMAT處理 時(shí)間樣品橫截面 的掃描電鏡組織 疲勞斷口的特點(diǎn)和分析 斷裂是個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過(guò)程，斷口是斷裂的靜態(tài)反映。疲勞斷裂斷口記錄了從裂紋萌生至斷裂的整個(gè)過(guò)程，有明顯的疲勞過(guò)程形貌特征，這些特征受材料性質(zhì)、應(yīng)力狀西安石油大學(xué) 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 21 態(tài)、應(yīng)力大小及環(huán)境因素的影響。因此疲勞斷口分析是研究疲勞斷裂過(guò)程及分析斷裂原因和斷裂機(jī)理的重要方法之一。 疲勞斷口是材料連續(xù)性破壞的直接結(jié)果，同時(shí)也是斷裂過(guò)程最真實(shí)的寫(xiě)照，保留了整個(gè)斷裂過(guò)程的所有痕跡，記載著很多斷裂信息。 采用 JSM6390A 掃描電子顯微鏡 對(duì)各組疲勞試驗(yàn)中試樣的疲勞斷口分析，并且重點(diǎn)分析疲勞斷裂應(yīng)力接近疲勞極限的斷口試樣，因?yàn)槠涓軌蛘f(shuō)明材料的疲勞性 能。 疲勞斷口的宏觀形貌觀察與分析 圖 310（ a） ， （ b） 分別為 SMAT 處理 前后 疲勞試樣疲勞斷口宏觀形貌 的照片，從圖中可以看到一般疲勞斷口所具有的典型的三個(gè)區(qū)域 ： 疲勞裂紋起源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和 失穩(wěn) 斷裂區(qū) （ 瞬斷區(qū) ） 。 圖 310（ a） 斷口從左向右依次是： 疲勞裂紋起源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和 失穩(wěn) 斷裂區(qū) （ 瞬斷區(qū) ） 。圖 310（ b） 斷口從左向右依次是： 失穩(wěn) 斷裂區(qū) （ 瞬斷區(qū) ） 、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)、疲勞裂紋起源區(qū) 。 不同的是， SMAT 處理 后的試件的裂紋擴(kuò)展區(qū)明顯大于未 SMAT 處理試件，說(shuō)明 SMAT 處理在材料表層 所形成的 塑性 晶粒 層在一定程度上提高了材料的整體強(qiáng)度。 （ a） 未 SMAT處理疲勞斷口 （ b） SMAT處理后疲勞斷口 圖 310 疲勞斷口宏觀形貌 降低強(qiáng)度和增大晶粒尺寸對(duì)裂紋不擴(kuò)展有利。然而，由疲勞極限的討論表明，高強(qiáng)度和細(xì)晶粒對(duì)阻止疲勞裂紋萌生和微裂紋擴(kuò)展有利，由此看來(lái)，兩者對(duì)材料有相互沖突的要求，一般情況下，只好采取折中選擇。圖 310（ b） 的經(jīng)過(guò) SMAT 處理后的試樣疲勞斷裂后，其疲勞斷口的裂紋擴(kuò)展區(qū)的長(zhǎng)度大于圖 310（ a） 疲勞斷口的裂紋擴(kuò)展區(qū)的長(zhǎng)度 。這也說(shuō)明了高強(qiáng)度和細(xì)晶粒對(duì)阻止疲勞裂紋擴(kuò)展不利。 疲勞斷口的微觀形貌觀察與分析 疲勞裂紋起源于應(yīng)變集中，局部顯微區(qū)域，即所謂疲勞源區(qū)。循環(huán)塑性應(yīng)變的滑移從表面形成，逐步擴(kuò)展到內(nèi)部，形成所謂的駐留滑移帶。把顯微裂紋看成，是由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)異號(hào)位錯(cuò)相消形成空位，空位聚合形成微裂紋，成為形核模型。微裂紋形成后，裂紋擴(kuò)展分為兩個(gè)階段：第一階段屬于微裂紋擴(kuò)展，在較大應(yīng)力水平下，萌生的微裂紋可能較多，并沿有最大切應(yīng)力的滑移平面（與外拉應(yīng)力成 45 度）上擴(kuò)展，絕西安石油大學(xué) 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 22 大多數(shù)會(huì)成為不擴(kuò)展裂紋，轉(zhuǎn)入第二階段擴(kuò)展 之后 ，由拉 應(yīng)力控制，并沿垂直于拉應(yīng)力的方向擴(kuò)展而形成主裂紋。 圖 311 SMAT處理后接近表層疲勞斷口的微觀形貌 圖 311 為放大 800 倍的表層疲勞斷口的微觀形貌，由圖中可以看到，在靠近基體的地方有小裂紋產(chǎn)生。而靠近表面 處理 層，則沒(méi)有或只有很小的裂紋產(chǎn)生。這同時(shí)說(shuō)明，殘余壓應(yīng)力場(chǎng)阻礙疲勞裂縫的擴(kuò)展，對(duì)短裂縫可以使其擴(kuò)展速度大幅度下降，進(jìn)而形成非擴(kuò)展裂縫。此處非擴(kuò)展裂縫 （ 在基體和表面強(qiáng)化層之間 ） 出現(xiàn)得比較多的原因，可能是因?yàn)樵摬糠之a(chǎn)生了殘余拉應(yīng)力。 從圖 312，我們也可以看出， SMAT 處理 后的試 樣 （ b） 和 （ c） ，疲勞斷口的“韌窩花樣”較為勻稱、密集 ， 而且韌窩較深， 而 未 SMAT 處理的試樣 （ a） ， 疲勞斷口的“韌窩花樣”相對(duì)要稀松 ，而且韌窩坑較淺 。 對(duì)比不同時(shí)間處理的試樣， 60 分鐘處理的試樣其 “韌窩花樣” 最密集 ，韌窩也最深 。 （ a） 未 SMAT處理 （ b） SMAT處理 30 分鐘 西安石油大學(xué) 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 23 （ c） SMAT處理 60 分鐘 圖 312 未 SMAT處理和不同時(shí)間處理在瞬斷區(qū)韌窩花樣 從圖 313 明顯的可以看到，在基體 表層附近有清晰的 海灘狀 條紋。 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 。 圖 313（ a） 裂紋從試樣內(nèi)部向外部擴(kuò)展，與外拉應(yīng)力成 45 度，擴(kuò)展方向?yàn)閳D方向上從左向右。從圖 313（ b） 以看出靠近基體內(nèi)部為裂紋萌生區(qū)，逐漸慢速擴(kuò)展，最后擴(kuò)展到基體表層，形成海灘狀 條紋， 擴(kuò)展方向?yàn)閳D方向上從上向下 。 條紋間距與裂紋擴(kuò)展速率的確有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。條紋證明了疲勞損傷是構(gòu)件使用過(guò)程中逐漸累積 的結(jié)果 [21]。從圖中可以看其擴(kuò)展方向 ，由上向下擴(kuò)展速度逐漸加快。 （ a） （ b） 圖 313 SMAT處理后疲勞斷口的裂紋擴(kuò)展微觀形貌 西安石油大學(xué) 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 24 （ a） （ b） 圖 314 SMAT處理后疲勞斷口的裂紋擴(kuò)展微觀形貌 由圖 314（ a） 可 以看出， 出現(xiàn)許多疲勞條紋， 細(xì)小的條紋與 外拉應(yīng)力基本成 45度，擴(kuò)展方向?yàn)閳D方向上從左向右。圖下方為基體表層，其為 SMAT 處理后的表層，從圖上可以看出處理后的表層抑制了裂紋的擴(kuò)展，這 說(shuō)明 SMAT 處理在材料表層所形成的 塑性 晶粒 層在一定程度上提高了材料的整體強(qiáng)度。 圖 314（ b）在放大 倍數(shù)為500 倍的情況下，清楚地看到疲勞條紋從左向右逐漸變寬，速度變快。 疲勞裂紋起源于應(yīng)變集中，局部顯微區(qū)域，即所謂疲勞源區(qū)。循環(huán)塑性應(yīng)變的滑移從表面形成，逐步擴(kuò)展到內(nèi)部，形成所謂的駐留滑移帶。把顯微裂紋看成，是由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)異號(hào)位錯(cuò)相消形成空位，空位聚合形成微裂紋，成為形核模型。 圖 315 SMAT處理后疲勞斷口微觀形貌 圖 315 為裂紋萌生區(qū)， 由 許多小斷裂平面組成， 有較多的微裂紋，比較雜亂，在 拉應(yīng)力的方向上未擴(kuò)展而形成主裂紋， 此處 極可能 有缺陷存在。 疲勞試驗(yàn)結(jié)果 討論與 分析 引言 在 最近幾十年中，疲勞性能測(cè)試方法有了很大的發(fā)展，其主要方面之一是數(shù)理統(tǒng)西安石油大學(xué) 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 25 計(jì)學(xué)在疲勞試驗(yàn)中的應(yīng)用。有限壽命設(shè)計(jì)在各個(gè)工業(yè)部門(mén)的廣泛開(kāi)展和新工藝、新材料的研制，都要求提供準(zhǔn)確可靠的疲勞性能數(shù)據(jù)，但由于疲勞試驗(yàn)結(jié)果存在很大的分散性，所以，不得不借助數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，來(lái)合理地安排試驗(yàn)程序和處理試驗(yàn)結(jié)果。 當(dāng)我們要比較兩種工藝方法或兩種設(shè)計(jì)方案在疲勞性能方面是否存在有差異時(shí)，常常需要 作對(duì)比試驗(yàn)。將待作 對(duì)比的兩組試件，在同一加載條件下，進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。根據(jù)疲勞壽命的觀測(cè)值，看看它們的疲勞性能是否相同，或者其中一種的疲勞性能優(yōu)于另一種。 做疲勞試驗(yàn)時(shí)，總會(huì)遇到兩種誤差：一種是由于條件因素改變而引起的誤差，稱為“條件誤差”。如材料成分、工藝方法、構(gòu)造外形等改變引起的差異，均 屬于條件誤差。另一種是由于偶然因素引起的誤差，稱為“偶然誤差”。 如試件在尺寸上、材料上以及受力上不絕對(duì)等同，也會(huì)使試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生差異，這些差異則屬于偶然誤差。由于偶然誤差的存在，即使名義上完全相同的一批試件，我們從中任意抽取兩組試件，在同一加載條件下進(jìn)行試驗(yàn)，也會(huì)發(fā)現(xiàn)這兩組數(shù)據(jù)的平均值存在著一定的差異?；蛘哒f(shuō)，由同一母體中抽取的兩個(gè)子樣平均值之間也會(huì)存在有差異。這 時(shí)，如果只根據(jù)平均值的大小，做出一組試件疲勞性能優(yōu)于另一組試件疲勞性能的結(jié)論，顯然是荒謬的。因?yàn)閮蓚€(gè)子樣來(lái)自同一母體，怎么能說(shuō)一個(gè)母體具有兩種不同的性質(zhì)呢 ?可見(jiàn)兩個(gè)子樣平均值的差異只能說(shuō)是由于偶然因素引起的。所以，不能僅僅根據(jù)兩組數(shù)據(jù)平均值大小的不同，而簡(jiǎn)單地做出結(jié)論。 疲勞試驗(yàn)結(jié)果存在較大的分散性，在試驗(yàn)結(jié)果中，存在的這種過(guò)大或過(guò)小的觀測(cè)值稱為“可疑觀測(cè)值”。如果保留這些可疑觀測(cè)值，則對(duì)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算都會(huì)有不同程度的影響；倘若為了取得試驗(yàn)結(jié)果的一致性，隨便舍棄這些觀測(cè)值，自然也不是嚴(yán)肅的科學(xué)試驗(yàn)態(tài)度 。在疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，由于明顯的試件本身的缺陷、載荷偏心、機(jī)器側(cè)振或設(shè)備操作不慎等因素引起試驗(yàn)結(jié)果過(guò)小或過(guò)大，均可作為可疑觀測(cè)值舍棄的依據(jù)，但原因是多方面的，其中可能包括很多尚未查明的因素?；诟怕实挠^點(diǎn)，可以借助數(shù)學(xué)的方法，對(duì)可疑觀測(cè)值進(jìn)行取舍。在同一試驗(yàn)條件下，取得過(guò)大或過(guò)小的觀測(cè)值，屬于小概率事件，根據(jù)小概率事件幾乎不可能出現(xiàn)的原理，來(lái)確定取舍的準(zhǔn)則。 疲勞斷裂是油氣長(zhǎng)輸管線服役過(guò)程中一種常見(jiàn)的失效形式。這是由于管線在服役過(guò)程中不可避免地要受到交變應(yīng)力的作用，這種交變應(yīng)力一方面來(lái)自管內(nèi)輸送介質(zhì)壓力的波動(dòng) 和油氣流的分層結(jié)構(gòu)，另一方面來(lái)自管線外的變動(dòng)載荷 。 在交變應(yīng)力作用下，在應(yīng)力集中較大處會(huì)產(chǎn)生局部的、交變的塑性變形，從而導(dǎo)致應(yīng)變疲勞破壞，即低周疲勞破壞 [22]。 我們知道 表面強(qiáng)度的提高和晶粒的細(xì)化都將增加疲勞裂紋產(chǎn)生的阻力，從而有利于提高材料的疲勞強(qiáng)度。首先，從細(xì)化晶?？紤]， SMAT 處理 表層提高疲勞強(qiáng)度的原因可能是疲勞裂紋沿晶界的位錯(cuò)塞積，另外細(xì)化的晶粒還可以提高滑移形變抗力，抑西安石油大學(xué) 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 26 制循環(huán)滑移帶的形成和開(kāi)裂，增加裂紋擴(kuò)展的晶界阻力，同時(shí)細(xì)化晶粒有利于裂紋改向，對(duì)疲勞強(qiáng)度的提高有利。其次，在晶粒最細(xì)的 處理 表層，晶 粒中缺陷較少，減少裂紋源萌生地 ； 而緊鄰 表 層內(nèi)側(cè)劇烈塑性變形區(qū)及過(guò)渡形變孿晶區(qū)的高密度位錯(cuò)和孿晶形成的位錯(cuò)團(tuán)和孿晶柵欄，也可以有效地阻止疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展 。 同時(shí)，結(jié)合表面 處理后的 表層給試樣的表層帶來(lái)很高的硬度，都將大大抑制疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，從而使 材料 的疲勞極限提高。 結(jié)果的討論與分析 由于在做疲勞試驗(yàn)時(shí)，對(duì) 本次所用的電液伺服 疲勞試驗(yàn)機(jī) 操作 比較生疏，導(dǎo)致一半左右的試樣出現(xiàn)意外斷裂 ， 如壓彎、載荷超出預(yù)設(shè)定的數(shù)值直接脆斷。 比較表 34 的 疲勞試驗(yàn)結(jié)果 ： 表 34 X70 管線鋼焊接接頭 疲勞試驗(yàn)結(jié) 果一覽表： X70管線鋼焊接接頭 組號(hào) 試樣類型 表面 處理 時(shí)間（ min） 疲勞壽命（次數(shù)） 注 1 未退火 SMAT30 347432 11kN 2 未退火 未 SMAT處理 952134 11kN 3 退火 SMAT60 225141 11kN 4 退火 未 SMAT處理 524888 11kN 在理論上認(rèn)為經(jīng)過(guò) SMAT 處理之后的 焊接接頭 試樣，其疲勞壽命將會(huì)提高。但是從上述試驗(yàn)結(jié)果中看出： SMAT 處理 后的試樣疲勞壽命，不但沒(méi)有提高，反而降低。 從表 34 可以看出，未 SMAT 處理的試樣的疲勞壽 命大于 SMAT 處理后的試樣（ 1 號(hào)試樣對(duì)比 2 號(hào)試樣 ， 3 號(hào)試樣對(duì)比 4 號(hào) ）。 對(duì)比 4 號(hào)試樣，疲勞壽命較 短的是 SMAT 處理 60 分鐘的試樣。從試驗(yàn)所測(cè)得的全部數(shù)據(jù)看，未退火未 SMAT 處理的