戲說焊接~為啥會有疲勞裂紋？(上)
導讀
小剛所在公司的產品在服役過程中只在彈性範圍內受很小的力，但是經過一段時間的使用發生了斷裂，引發了客戶的不滿，抱怨產品質量有問題。儘管產品已經過了保質期並使用了很長時間，但是為了公司的信用，小剛意識到應該找出問題所在，儘快制定出改善方案，挽回公司聲譽。
小剛
存在焊接未熔合和缺陷，會導致工件失效，但是不存在怎麼也失效啊？不就是在使用中有個循環載荷嗎？啥時候開始失效的呢？頭都暈了！
小剛
對了，白看這麼多期【焊接在線】的精彩講解了，大家都去找張博士，今天我也去找找。
小剛第一次通過網路聯繫了張博士。
小剛
張博士您好！久仰大名，今天我也慕名特來拜訪，向您請教問題。
歡迎歡迎，碰到什麼問題了？
Dr.張
小剛
我們的產品本身沒有質量問題，但在服役時因為施加一個循環載荷後發生了變形開裂，這是怎麼回事呢？
我知道你想了解的內容了。首先，你有必要認真學習理解一下材料的疲勞特性和疲勞裂紋知識。
Dr.張
小剛
疲勞？對了，上次考WES2級的時候，學習了很多焊接件失效的情況，其中有很多有關疲勞的知識，但是時間太久記不清楚了。
嗯，疲勞破壞是低應力反覆作用，產生裂紋，繼續施加循環應力，裂紋增大最終導致焊件失效。提醒一下，80%的機械及結構件失效均與疲勞有關。
Dr.張
小剛
是不是這樣呀，單次應力作用不會失效，但是循環應力情況下就會產生裂紋失效。
是的，特別是複雜結構件焊接接頭，比結構件其他位置的受力大,而且焊接接頭部分存在殘餘應力，也容易發生焊接缺陷。
Dr.張
另外，很多情況下，焊接熱影響區組織改變，進而強度發生變化，加之焊接接頭周邊的裂紋源導致疲勞破壞。
Dr.張
小剛
是不是這樣呀，焊接接頭與疲勞破壞關係密切。
來看看這動畫,使用400倍顯微鏡可以觀察到碳素結構鋼疲勞裂紋的產生與端部擴展。
Dr.張
小剛
循環載荷作用下，圖上的裂紋在幾十到幾百微米晶粒尺寸上下蜿蜒擴展，時開時閉。
疲勞裂紋一旦產生，裂紋端應力急劇增加。而且，裂紋間隙尺寸很小，結構件整體基本上沒有發生形變。因此，疲勞裂紋不斷增大，結構件失效前難以發現，危險性特別大。
Dr.張
小剛
原來疲勞失效是慢慢偷偷進行的，很難發現啊。但是，為啥很小的循環作用力會產生裂紋呢？我記得以前學過的屈服點以下的彈性變形知識應該有用。
差不多，正確的觀點應該是應力小會產生彈性變形，施加大應力才會造成塑性變形。
Dr.張
小剛
哎呀，可以鬆一口氣了。
好，你來看看這一張圖。這是一般機械和材料學課本里有關低碳鋼的拉伸應力應變曲線插圖。從圖左下角開始，應變不斷增加，應力沿直線上升。
Dr.張
這個現象稱之為彈性變形，直線斜率稱之為彈性模量。而且低碳鋼的應力一旦下降，會急劇屈服產生鋸齒狀曲線。我們稱這種現象叫做屈服，表示材料的塑性變形開始了。我特地稱彈性變形最大應力為上屈服點，後面降低的應力為下屈服點。繼續拉伸，由於加工硬化作用，應力繼續增加，最後發生斷裂。好了，來看看視頻，我點開始。
Dr.張
小剛
也就是說，假如施加低於屈服點的小應力，結構件處於彈性變形階段，不會失效。
哎呀，小明。你理解錯啦。循環應力作用，材料的疲勞現象很複雜的。也就是說，單一牽引受力的彈性及屈服這個假定是不成立的。因此，結構件可能在彈性變形範圍內，出現低應力失效。
Dr.張
小剛
啊，原來是這樣呀！不好意思呀！彈性和塑性變形的特性會變化嗎？難道彈性變形也失效？
那麼，到底發生了什麼呢？過來看這兩張圖。它們是焊接結構鋼SM400B，採用沙漏形試棒的實驗數據圖。這是採用單一牽引力拉伸實驗的應力應變圖。
Dr.張
這是使用74%的上屈服點應力（303MPa）作為最大最小震蕩應力（R=-1），同時作用一定的循環次數實驗的應力應變圖。
這張圖中可以發現，循環10次的應力應變成線性關係，可以通過彈性變形解釋。
Dr.張
小剛
是呀，很清楚了。
但是，你看這是循環次數為400的應力應變曲線，循環次數增加到500、600時，其曲線漸漸不符合彈性變形的規律了。而且，循環次數達到1000次的時候應力應變曲線變化很小了。順便提一下，這個試驗棒實驗至失效，循環次數能達到2萬次。
Dr.張
小剛
是的呀，一開始是彈性變形，但是中途發生了塑性變形並導致斷裂了。原來這樣子呀，彈性變形開始，產生塑性變形就發生斷裂了。
是的，這種現象叫做循環軟化。所以呀，雖然材料設計應力在屈服點以下且在彈性變形範圍內，但是中途的循環軟化並在表面產生塑性變形就會導致結構件失效。
這種現象，與彈簧長時間拉伸使用會慢慢變軟失效類似。
Dr.張
小剛
啊，還是不太清楚啊。同樣的力，為啥僅僅在彈性形變條件下採用循環應力，會突然產生塑性變形呢？而且，在循環應力作用下，會產生疲勞裂紋直到失效？
各種各樣的教科書都對疲勞裂紋的產生的微觀機理進行了研究。下回，通過模擬循環應力作用，可以顯示材料組織發生了微觀滑移。
Dr.張
小剛
啊，沒有想到低應力彈性變形會發生微觀滑移！
是的呀。而且,當存在焊接缺陷，接頭周圍施加了更大的作用力，結構件會早早發生塑性變形，更容易產生疲勞裂紋。
Dr.張
小剛
嗯嗯，確實這樣。
另外，小剛。對不起呀，我今天起就必須開始出差了。
Dr.張
小剛
沒事，那我們以後繼續呀，可以嗎？
好的，下次給你講講循環軟化機理和應力的影響等等。
Dr.張
小剛
我明白，下次研究疲勞裂紋前，我會多看看書預習一下。今天在這邊，我感覺弄懂了好多，十分感謝。下次繼續啊！
（來源：焊接在線）
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