行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
利用微型平板試片進行疲勞裂縫延伸測試探討(2/2)
研究成果報告(完整版)
計 畫 類 別 ： 個別型 計 畫 編 號 ： NSC 95-2221-E-002-219- 執 行 期 間 ： 95 年 08 月 01 日至 96 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣大學機械工程學系暨研究所 計 畫 主 持 人 ： 單秋成 計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理：林賢易、林士瑋、黃寬明 處 理 方 式 ： 本計畫可公開查詢 中 華 民 國 96 年 10 月 12 日行政院國家科學委員會補助專題研究計
畫
計畫類別：■ 個別型計畫 □ 整合型計畫 計畫編號：NSC 95-2212-E-002 -219 執行期間：95 年 8 月 1 日至 96 年 7 月 31 日 計畫主持人：單秋成 計畫參與人員：林賢易，林士瑋，黃寬明成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：□精簡報告
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本成果報告包括以下應繳交之附件： □赴國外出差或研習心得報告一份 □赴大陸地區出差或研習心得報告一份 □出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份 □國際合作研究計畫國外研究報告書一份 處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、列管計畫及下列情 形者外，得立即公開查詢 □涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢 執行單位：國立台灣大學機械研究所中
華
民
國
96 年
8 月
31 日
利用微型平板試片進行疲勞裂縫延伸測試探討(2/2)
■成果報告
□期中進度報告
目錄
摘要...ii
一、前言 ...4
二、小尺寸試片機械性質測試之發展概況回顧 ...5
三、研究方法...8
四、實驗結果與討論... 13
五、結論與建議 ... 26
六、計畫進度自評 ... 27
七、參考文獻... 27
摘要
儘管目前破壞科學已相當進步，結構經長時間運轉，仍常無可避免地發生 各種材料劣化、構件龜裂等問題。具關鍵性的結構件因而要定期進行結構完 整性分析或殘餘壽命評估，這些評估分析需掌握現況的材料機械性質。後者 無法由理論計算獲得，常需以非破壞及破壞性檢測來取得。為免影響結構完 整性，取樣進行測試的樣品尺寸必須非常細小，往往不能滿足一般測試規範 所要求的標準試片尺寸，故有必要開發利用少量材料來獲取所需的數據測試 技術。 從文獻資料回顧可以看到小尺寸試片疲勞破壞性質之測試技術則最為缺 乏，尤其疲勞裂縫延伸性質之小尺寸試片測試則仍不多見；而疲勞破壞在機 械失效中佔相當重要的比重，相關之小尺寸試片測試技術十分值得開發，本 計劃即擬探討利用微型平板試片來評估材料疲勞裂縫延伸的技術，研究內容包 括開發一部高負載頻率、可供測試微型平板試片裂縫成長之微型疲勞試驗機。 並比較 2014 鋁合金､7075-T651 鋁合金､304 不銹鋼和 4340 合金鋼利用標準 CT 試片與微型平板試片所測得的疲勞裂縫生長性質，以掌握微型試片的可用 性與侷限。 關鍵詞：縮小試片機械性質測試，微型疲勞試片，微型平板試片，疲勞裂縫 延伸性質。Abstract
It is well known that size effects occur in many mechanical properties. In other words, the mechanical properties of a small specimen are different from that of a large structure. Fracture toughness and fatigue limit are two well known properties that exhibit marked size effects and standard specimens have to be used to get valid properties results.
As mechanical components go smaller and smaller, such standard specimens may appears too large in comparison. Size effects will occur in turn as properties evaluated from these large specimens may not accurately reflect those of the miniature components. Small sized specimens and testing techniques have to be developed for obtaining relevant properties required for stress analysis, design and life assessment of miniature components.
On the other hand, even for large scale structures such as those used in power plant and chemical process plants, structural integrity assessment of aged components often required test samples to be cut off from the components. In order not to weaken the structure unnecessarily, such samples should be as small as possible. This again necessitates the development of small sized specimens and the corresponding testing techniques.
The current literatures on small sized specimens and testing techniques abound in impact and fracture toughness testing but fatigue properties evaluation are seriously lacking. In this project, it is proposed to develop and investigate the possibility of making use of a miniature flat plate specimen for evaluating the fatigue crack propagation properties. The fatigue crack propagation results obtained from standard specimens and from the miniature specimens for 2014 Al alloy, 7075-T651 Al alloy, 304 stainless steel and 4340 alloy steel will be compared.
Keywords: sub-sized specimens, miniature fatigue specimen, miniature plate specimen, fatigue crack propagation.
一、前言
儘管目前破壞科學已相當進步，各種因使用環境或負載等狀況而自行生 成並發展的破壞在持續進行，結構經長時間運轉，常無可避免地發生各種材 料劣化、構件龜裂等問題，相關之破壞機制包括回火脆化 (temper
embrittlement) ，輻照脆化 (irradiation embrittlement) ，疲勞，潛變，應力腐 蝕，腐蝕，以及這些破壞的交互作用等。有重要性，造價高，或其破壞將引 起嚴重後果的結構物因而要定期進行結構完整性分析或殘餘壽命評估，這些 評估分析需掌握相關的現況材料機械性質數據。後者無法由理論計算獲得， 常需以非破壞檢測及破壞性檢測來取得。破壞性檢測的缺點為必需取樣進行 測試，評估結構件的殘餘壽命，動機在於提高其使用的安全性，因此對於仍 在使用中之大型結構件，要挖取樣品，樣品的尺寸必需非常細小，以免影響 結構完整性，樣品往往不能滿足一般機械性質測試規範所要求的標準試片尺 寸，有必要開發利用少量材料來獲取所需的數據測試技術。 機械性質測試規範一般均對標準試片尺寸有嚴格要求，主要原因是很多 機械性質數據因背後的破壞現象、規模等而呈現尺寸效應(size effect)，尺寸 效應傳統上指以小型試片測得之性質不能準確反映大型結構之相關性質，此 點在斷裂韌性及疲勞性質上尤為眾所周知；相同之尺寸效應機制，也會使大 型試片之機械性質異於小尺寸結構；這些尺寸效應的影響範圍隨材料性質如 降伏制約因子 (Plastic constraint)、斷裂韌性等不同而互異，為使測試數據可 供作為共同比較的基準，不受人為因素、實驗室差異影響，各國測試規範的 訂定均針對可以引起人為因素、實驗室差異等現象的因素盡量加以去除，讓 同一批次材料在不同實驗室測得的性質在合理的離散度內；未使用標準尺寸 試片所測得，不能隨便與依標準程序測得的數據直接比較，但這也不代表小 尺寸試片測得之數據完全無效，仍可透過嚴謹的程序找出小尺寸試片數據與
標準試片數據之關連性以及找出引起差異之各種原因。 二、小尺寸試片機械性質測試之發展概況回顧 目前國際上較注重之利用小尺寸試片測試的機械性質，包括 Charpy V notch (CVN) 衝擊性質，斷裂韌性，疲勞破壞性質與拉伸性質[1-3]，而所謂 之小尺寸試片測試技術大致可分兩類: 其一為利用傳統標準試片之縮小版 本，透過開發具適當能量的試驗機；另一為類為透過非傳統之途徑或實驗設 計，以便從少量材料中獲取所需的數據，這方面的例子有 Ball indentation [4], Punching 或 Bulging Tests [5-9]等。
核能反應器內構件因為長期受到高劑量中子輻射而致脆化，因此 CVN 衝擊測試佔小尺寸試片測試大宗，測試重點有兩方面: 一為評估材料衝擊能 量值本身之變化 [10-13]；另一則為利用 CVN 測試之方式來評估斷裂韌性 [14-16]。這些測試技術相對較為成熟。 斷裂韌性之量測，對試片尺寸之主要限制在具有足夠的塑性約束(Plastic constraint) 以達到平面應變狀況，目前較多人使用的就是上述 Charpy 試片 作 instrumented 衝擊測試，此舉利用衝擊試片之多軸向應力狀態及其高應變 速率來限制塑性變形之發生，藉此達到足夠的塑性約束，然由此所得的斷裂 韌性嚴格而言是所謂動態斷裂韌性 (KId)。此外，尚有開發其它小尺寸斷裂 韌性試片，如含環向裂縫之小圓桿試片[17-18]，短桿(short rod) 試片 [19,20]，含切口小圓盤(notched disk)試片[21]，含橫向加強樑之微型彎曲試 片 [22,23]，微型之圓盤 CT 試片[24]，以及 small punch test [25-27] 或 bulging test [5-9] 方法間接推導斷裂韌性，由方法的多樣性，可以看到這方 面的測試已有不少研究資源投入。
拉伸性質往往是最基本所需的性質，無論在設計階段或完整性評估階段 要進行應力分析，或要確認材質/加工步驟符合原設計規範，均需用到拉伸 性質；這方面的測試，除利用傳統的拉伸試片的縮小版外[28-30]，也有使用 其他試片或方法，間接求取拉伸特性，如使用 four-point bending 之 TEM disk size 試片[31]，或利用 Ball indentation 方法求取拉伸性質 [4]，其中 indentation 法是頗值得注意的技術，因為它可以不必挖取樣品，容許直接在 結構上作現場之測量，量測過程僅留下如硬度測試的小凹洞，可以很容易處 理掉，可算是非破壞之測試。
疲勞破壞一向佔各種引起機械失效之機制的大宗，然而文獻中有關小尺
寸試片疲勞性質測試之探討卻異常缺乏，有關應力-壽命(S-N) 或應變-壽命(
-N)特性，測試方式主要利用 TEM disk size 試片作往復彎曲[32]或往復拉伸
[33]，另有嘗試使用 Ball indentation 方法求得之拉伸性質間接求取低週疲勞 破壞性質[33]，或往復的 punch indentation [34,35] 進行疲勞測試，但成果仍 十分有限，前者充其量祇是利用曲線嵌合的方式(curve fitting approach)把拉 伸性質與低週疲勞破壞性質以半經驗公式 (semi-empirical relation) 整合在一 起，至於是否有明確的物理意義作為後盾，相關文獻未有加以說明，然從一 般疲勞破壞文獻考察，拉伸性質與疲勞破壞性質在有限的前題下(如同系列 合金，或同一合金不同的熱處理條件等)可能會有較明確的相互關係，但不 同材料，或相同材料但微結構/加工過程相去太遠，則拉伸性質與疲勞破壞 性質仍未見有廣泛的關連公式。因此以 Ball indentation 方法推求疲勞破壞性 質，恐怕需要有龐大的材料數據資料庫作為後盾，而難以在完全不掌握材料 的疲勞破壞數據下，憑 Ball indentation 方法先驗地 (a priori) 獲得相關性質 數據。至於 punch indentation [34,35] 方法，文獻顯示反覆壓入一根等截面的 壓痕器，則每一負載週期壓入的深度與循環壓力幅度所呈現的關係，類似疲
勞裂縫延伸的 Paris’Law，壓入速度甚至呈現疲勞裂縫成長的超大負載減速 (overload retardation) 效應，這些現象提示著 punch indentation 方法或許可能 與裂縫成長有密切關係，事實上兩者均牽涉到一個塑性區往前推進，不過， 疲勞裂縫擁有一個裂縫尖端的奇異性 (crack tip singularity)，而壓痕器前端則 沒有，故二者的關係尚有很多需要釐清的地方。歸根究底，得到材料疲勞破 壞性質的最好方法還是按照定義對材料施加循環負載，再觀察其破壞時之壽 命或裂縫成長之速度。針對後者，微型試片之測試尚相當有限，基本侷限在 標準 CT 試片的縮小版[36] ，然使用傳統之 CT 試片，以標準的尺寸而言， 夾具稍為厚重，便很容易阻檔到裂縫的觀測，故能縮小的程度有限，因此較 迫切需要發展其他技術。 主持人在 91 及 92 年度所進行的國科會研究計劃「小尺寸試片疲勞性質 測試技術研究」中，提出採用含表面裂縫之小尺寸圓軸桿件，並以旋轉疲勞 之加載方式進行測試，旋轉疲勞試驗機傳統上用於做 S-N 曲線測試，其構造 簡單，而圓桿試片加工也比 CT 試片簡單，故整體實驗成本低，僅需傳統利 用油壓試驗機數十至數百份之一價格即可，本研究將之利用到疲勞裂縫延伸 之測試，主要著眼點是圓桿試片使用材料較小，是頗具創意之用法。研究採 用一系列 9 種(3 種直徑，3 種長度)之圓桿試片，其結果與 50 mm 寬 12mm 厚 之標準 CT 試片比較，在考慮及裂縫封閉後，有相當不錯的吻合度，與 CT 試片比較，本研究最大之圓桿試片體積為 CT 試片之 1/4.6，最小之圓桿試片 體積則為 CT 試片之 1/37。此結果已發表於 Nuclear Engineering and Design 期刊[37]，另一相關結果為圓桿表面裂縫之應力強度因子解，也已於
International Journal of Fracture[38]及 Nuclear Engineering and Design [39]發 表。
一步縮小，則為求與標準試片比較，需要進一步監測裂縫封閉的現象，後者 卻難以在旋轉加載下進行，主持人 93 年度所進行的國科會研究計劃，即有 鑑於圓桿試片小尺寸試片之成功，同時發現裂縫封閉之資訊對關連小尺寸試 片與標準試片的疲勞裂縫成長數據的重要性，故改採軸向負載，對於圓桿表 面裂縫的量測，我們提出利用柔度配合表面弧長的方式，準確地掌握裂縫的 形狀(長寬比、深度比)與尺寸，除了透過有限元素法分析來求得校正關係， 也利用實驗方式加以驗證，結果相當準確，相關結果已發表[40]，而利用這 個圓桿疲勞試片的技術進行的疲勞性質評估相關研究，也已經發表 [41,42]。 利用圓桿試片進行疲勞裂縫延伸測試有諸多優點，然如原始材料的厚度 較薄，或原始材料基本為平板狀，則圓桿試片並不適合使用，而需要使用平 板狀之試片，相關試片的測試技術，以及微型平板試片的疲勞裂縫延伸性質 與標準試片之性質的關係如何，目前文獻仍沒有深入探討的紀錄，本計劃即 希望處理相關問題。
三、研究方法
3.1 微型平板試片 本計劃所採用的微型平板試片，從板材以線切割加工，試片尺寸為長 20mm、寬 6mm、厚 0.5mm (見圖 3.1)，使用的材料包括 2014 鋁合金､7075-T651 鋁合金､304 不銹鋼､4340 合金鋼，其中 304 不銹鋼在工業界是被廣泛使用， 因為 304 不銹鋼富有高的抗斷裂韌性、耐腐蝕與高溫抗氧化特性，常被使用在 電廠結構體上與高溫環境下。在鋁合金方面，其質輕且強度高的特性，在航空 及國防工業上應用相當廣泛。材料皆委託材料所作材料成分分析，材料成分分析如表 1 至表 4。304 不銹鋼加工後經 1050oC 真空持溫 1 個小時以消除加工殘 留應力，冷卻時通氬氣以快速通過敏化溫度區域。鋁合金及 4340 合金鋼則未 經其他熱處理。 3.2 微型平板試片試驗機 本計劃自行建構一部使用壓電致動器的小型動態試驗機，其最大出力在 400 牛頓左右，圖 3.2 為此試驗機之大觀，圖 3.3 則為試片夾持的情形。壓電 致動器(Multilayer Piezoelectric Actuators ,型號：ASB171C801NP0)的最大的輸
入電壓為 150V，最大位移量 170μm，最大輸出力為 800N，最大作動頻率為 8KHz。因壓電致動器只能作伸長不能作收縮的動作，所以要透過一組滑軌系 統，把致動器伸長轉換為試片的拉伸，滑軌採上銀科技型號 MGWR9M 的線 性滑軌，其摩擦係數在 0.03 左右，讓摩擦力儘量小，避免力量消耗在摩擦力 上，又能達到支撐夾具使作用力穿過試片中心。 因為壓電致動器的最大伸長量僅為 170μm，超過此伸長量，施力將無以 為繼，因試片的伸長量無法作過多的干預，所以試驗機框架，夾具以及荷重元 等剛性必須盡量高，以免這些構件耗用掉有限的伸長量，使施加在試片的力量 受到過度的限制。目前所採用的設計，以 300 N 的施力，試驗機構件的變形 量約在 20μm。 試驗機的控制，使用訊號產生器輸出振幅適當的正弦波，經由高壓放大 器放大後用以驅動壓電致動器，產生循環拉力負載。
3.3 疲勞試驗 疲勞裂縫延伸實驗以波形產生器產生正弦波經過高壓放大器放大後驅動 壓電致動器，實際的施力由資料擷取卡監控，試片上之裂縫以游移式顯微鏡量 測，起始裂縫所使用的負載頻率為 100Hz，實際進行疲勞裂縫延伸測試則採用 30Hz 裂縫封閉則利用在試片背面所黏貼的應變計以及在試片上架設小型之伸 長計（見圖 3.4）來監控，量測裂縫封閉時負載頻率降至 1Hz。 2014 鋁合金之微型平板試片，也有在 100kN 之油壓伺服試驗機上進行 測試 （圖 3.5）。至於標準試片，均採用寬度為 50mm 之 Compact tension 試 片，於 100kN 之油壓伺服試驗機上進行測試。 表 1： 2014 鋁合金成分分析 Element Fe Si Mn Cr Cu Mg Zn Ti Wt(%) 0.19 0.62 0.63 0.019 4.2 0.44 5.32 0.027 表 2： 7075 鋁合金成分分析 Element Fe Si Mn Cr Cu Mg Zn Ti Wt(%) 0.17 0.064 0.025 0.23 1.65 2.23 5.32 0.028 表 3： 304 不銹鋼成分分析 Element C Si Mn P S Ni Cr Wt(%) 0.037 0.52 1.42 0.032 0.0032 8.35 18.89 表 4： 4340 合金鋼成分分析 Element C Si Mn P S Ni Cr Mo Wt(%) 0.42 0.28 0.77 0.027 0.031 0.11 0.93 0.17
圖 3.1: 微型平板 壓電致動器 荷重元 滑軌 試片 圖 3.2: 微型平板試片試驗 機。
12 伸長計針腳 固定彈簧 活動夾具 小試片 固定夾具 圖 3.4： 試片上架設小型伸長計監控裂縫封閉之情形。
四、實驗結果與討論
4.1 初步測試
微型平板試片完成製作後，先嘗試以傳統油壓動態試驗機進行疲勞裂縫延 伸性質測試，以獲得相關如施力，變形量及可能遭遇困難等數據或資訊，以作 為設計小型動態試驗機的參考。結果知微型試片測試僅需數十至四百牛頓左 右，試驗機的作動位移約在 100m，因為微型試片因為尺寸小，裂縫生長動 力 (K) 隨裂縫長度之增加相當迅速，故有效的裂縫生長長度範圍祇有數 mm 以下，必須使用非常低的循環荷重來預裂，以免裂縫起始後迅速越過有 效範圍，無法取得足夠的有效數據，然較低的循環荷重代表使裂縫起始所需的 週次要很高，而傳統油壓動態試驗機施加負載頻率頂多在 20-30 Hz，以數百萬 週次的預裂時間預估，則預裂一個試片將耗費數天，然裂縫出現後，會快速生 長，故監測的週期拿捏稍有不當，則試片會迅速斷掉，有了這些實測的資訊與 經驗，對後續的實驗測試有相當的幫助。4.2
2014 鋁合金疲勞裂縫成長性質量測
圖 4.1 比較 2014 鋁合金微型試片和標準 CT 試片之疲勞裂縫成長結果，此 材料之微型試片同時利用 MTS 動態油壓伺服試驗機（試片編號有 MinSE 者） 與本研究所建立之微型平板試片試驗機進行測試試片編號有 L 者）。試片編號 有 CT 者則為標準試片的結果；在裂縫生長 da/dn~ΔK之關係圖中發現，微型疲 勞試驗機所得到的數據和 MTS 試驗機在 2014 鋁合金小試片所記錄數據的趨勢 基本相符，但整體數據有一定的離散度，在相同的△K 值下，MTS 試驗機所作 的小試片數據生長速度偏向較慢，而微型平板試片試驗機所得的結果較快，而 標準試片則落在兩者之間，但與微型平板試片試驗機所得的結果有較顯著的重疊，推測原因是 MTS 試驗機的容量為 100kN，而測試小試片時，最高負載只 有 300N 左右，以致 MTS 試驗機的荷重元準確性可能不足，影響到△K 值的測 量與計算。另一方面，如果拿 CT 試片和小試片做比較，小試片通常可以做到 比較大的△K 之值，相對的 CT 試片大概在△K＝25MPam 附近就斷裂。
4.3
7075-T651 鋁合金
圖 4.2 為 7075-T651CT 試片在常振幅下裂縫生長速率 da/dn-ΔK關係圖， 圖中 7075-T651 鋁合金標準試片的數據來自紀賀勛 “7075-T651 鋁合金不等振 幅疲勞破壞探討”[43]，沿用該文獻的試片編號 8301∼5，編號 L7075-XXX 則 為小型試片，圖 4.2 顯示雖小試片結果與標準試片結果大致重疊，但仔細觀察 可發現小試片在微型疲勞試驗機的數據和 CT 試片在 MTS 材料試驗機實驗所得 數據在曲線上有著不同的斜率，CT 試片呈現出比較陡的走勢，小試片則呈現 出較為平緩的走勢。假如裂縫成長速度以考慮裂縫封閉的Keff 來表達 （圖 4.3），則小試片結果與標準試片結果不單基本重疊，而且其數據所群聚成之曲 線的斜率也基本相同，此現象的成因，推測為對小試片的施力受制於壓電材料 的伸長量的限制，不能維持一定，而是逐漸下降的情況（圖 4.4），當下降的速 度太快，就產生了類似高峰負載所引起的減速效應，不過應施力為遞減而非高 峰負載那麼急劇，故其減速效應也沒有那麼急遽，只是抵銷了部分隨裂縫成長 而加速的效應，所以小試片隨裂縫長長而加速的現象不若標準試片那麼明顯； 裂縫封閉是造成高峰負載減速效應的主要機制，一旦裂縫封閉被考慮進去，小 試片跟標準 CT 試片的成長趨勢就基本重疊了。4.4
304 不銹鋼
圖 4.5 為 304 不銹鋼在疲勞裂縫成長的行為，CT1∼3 為標準 CT 試片在 MTS 材料試驗機測得的數據 [44]，以 L 命名的則為小試片數據，觀察此圖形 可以看到與上面兩個鋁合金材料所發生過的情形一樣，在裂縫生長曲線趨勢大 致上和標準 CT 試片的生長速度數據增加速度較快，小試片較慢，對照圖 4.4 的 304 不銹鋼施力曲線，在裂縫長度長至 2mm 附近就發生壓電致動器伸長量 不足導致作用力逐漸下降的情形，此長度也是小試片開始與標準試片數據分道 揚鑣的位置，其解釋也與上相同：作用力迅速下降，產生減速的效應，抵銷部 分因裂縫成長的加速；圖 4.6 為利用考慮裂縫封閉的 Keff 來表達疲勞裂縫成 長速度，結果小試片成長曲線與標準 CT 試片的成長曲線走勢疊合在一起。4.5
4340 合金鋼
圖 4.7 為 4340 合金鋼疲勞裂縫成長行為數據，標準裂縫部分分別在三個不 同的應力比 R 值（=min. load/max. load）下進行實驗所得[45]，但其生長速度基 本沒有差別，微型疲勞試片數據是在 R=0.1 的情況下進行測試，其結果明顯和 標準試片的數據有差距，由圖 4.4 觀察發現，在 4340 合金鋼中，當裂縫長至 3mm 時，因受制於壓電致動器的伸長量限制，作用力逐漸下降，發生減速效 應，抵銷部分因裂縫成長的加速；但在裂縫長至 3mm，此減速效應出現之前， 小試片數據與標準試片數據並沒有相互吻合，此與前面幾種材料有相當的不 同，試片與試片之間的差異也比前面幾種材料來得大，經過多方檢查，發現因 試片厚度與前有些微差別，以致夾具夾緊試片時，產生一定的彎曲變形，導致 的額外負載，嚴重影響了裂縫開閉的行為，儘管利用 Keff 將裂縫封閉現象加 入考慮 （圖 4.8），可將小試片數據與標準試片數據的距離減少，但仍多少可以看到兩者的差異。
4.6 斷面觀察
圖 4.9 為 2014 鋁合金疲勞斷面靠近末端最終破壞的掃瞄式電子顯微鏡照 片，圖下部可以清楚看到明顯的疲勞條紋，而靠近上部則為蜂窩狀組織之斷裂 破壞。 圖 4.10 及 4.11 分別為 7075 鋁合金疲勞裂縫成長階段與最終斷裂階段的 顯微鏡照片，疲勞條紋在疲勞裂縫成長階段同樣清晰可見，在局部地勢較高的 位置，破斷面上有被壓平的痕跡，推測是裂縫封閉所造成；圖 4.11 最終斷裂處 沒有呈現如 2014 鋁合金之蜂窩狀組織。 圖 4.12 及 4.13 分別為 304 不銹鋼疲勞裂縫成長階段與最終斷裂階段的 顯微鏡照片，圖 4.12 中疲勞條紋清晰可見，但有被壓平的痕跡，推測是裂縫封 閉所造成。 圖 4.14 及 4.15 分別為 4340 合金鋼疲勞裂縫成長階段與最終斷裂階段的 顯微鏡照片，圖 4.14 中仍可看到疲勞條紋，但條紋不若前面三種合金那麼清晰， 部分原因為條紋有頗為嚴重的被壓平的跡象，此與這批試片夾持時有彎曲現 象，導致過大的裂縫封閉有密切關系，另一方面，此材料較易被氧化，加上裂 縫封閉所產生的微動摩擦，也使得疲勞條紋及破斷面上的細節變得較為模糊， 至於最終破斷部分，蜂窩狀組織清晰可見，較沒有受到氧化的影響，是因為試 片破斷後即儲存於乾燥箱之故。4.7 討論
經由這些材料的小試片在微型疲勞試驗機上拉伸實驗所得之數據，整體上來說裂縫封閉值比 CT 試片在 MTS 材料試驗機上的數據來的大一些，主要原 因應為小試片的塑性拘束遠較標準 CT 試片來得小，故此比較容易降伏，同樣 的K 下，小試片的塑性區較大，從而開裂後其殘留塑性跡也較厚，導致較大 的裂縫封閉，假如直接比較 da/dN-K 數據，就會出現所謂尺寸效應，即大試 片中疲勞裂縫成長得較快。 另一方面，由於裂縫生長，試片之伸長量增加，最終耗盡微型試驗機壓電 致動器所容許的變形量，而發生作用力下降，而且裂縫長越長，施力的下降速 度越快，由圖 4.4 可看出下降幅度最大者為 304 不銹鋼，頭尾相差了 144N，約 減少了 46﹪，下降最少的則是 4340 合金 鋼，約減少了 78N，約減少了 22﹪， 兩種鋁合金的所表現的曲線走勢也都相似，也是剛開始緩緩下降，到後半段也 增加了下降的速度，2014 頭尾縮減了 33﹪，7075 則縮減了 37﹪，此等施力快 速下降，造成類似高峰負載減速效應類似的現象，抵銷了部分隨裂縫成生的加 速，使裂縫成長速度數據的增幅趨於平緩。 上述兩個現象，基本均與殘留塑性跡所引起的裂縫封閉有關，因此，在把 裂縫封閉現象加入考慮後，標準試片與小試片的數據就趨於一致。 有見及此，建議在設計下一代的微型疲勞試驗機，應採用伸長量較長之壓 電致動器，讓整個實驗過程都能保持固定的施力，以減少影響實驗結果的變 數。
1 10 100 1000 Delta stress intensity factor (MPam)
1x10-7 1x10-6 1x10-5 1x10-4 1x10-3 1x10-2 C ra c k g ro w th ra te (m m /N ) CTL168ST1 CTL168ST3 CTL168ST5 CTL168ST8 CTL168ST9 MinSE(T)-230404 MinSE(T)-280404 MinSE(T)-120404 L2014-018 L2014-030 L2014-031 圖 4.1 2014 鋁合金試片 da/dn~△K 關係圖 1 10 100
Delta stress intensity factor(MPam)
1x10-6 1x10-5 1x10-4 1x10-3 1x10-2 C ra c k g ro w th ra te (m m /N ) 8301 8302 8303 8304 8305 L7075-032 L7075-033 L7075-034 L7075-040 L7075-058 圖 4.2 7075 鋁合金試片 da/dn~△K 關係圖
1 10 100 Delta effective stress intensity factor (MPam)
1x10-6 1x10-5 1x10-4 1x10-3 C ra c k g ro w th ra te (m m /N ) 8301 8302 8303 8304 8305 L7075-032 L7075-033 L7075-034 L7075-040 L7075-058 圖 4.3 7075 鋁合金試片 da/dn~△Keff 關係圖 0 1 2 3 4 5 6 Crack length(mm) 160 200 240 280 320 360 F o rc e (N ) 2014 7075 304 4340 圖 4.4 作用力在各種材料與裂縫長度關係圖
10 100 1000 Delta stress intensity factor(MPam)
1x10-5 1x10-4 1x10-3 1x10-2 C ra c k g ro w th ra te (m m /N ) CT1 CT2 CT3 L304-048 L304-049 圖 4.5 304 不銹鋼小試片和 CT 試片 da/dn~△K 關係圖 10 100
Delta effective stress intensity factor(MPam) 1x10-5 1x10-4 1x10-3 1x10-2 C ra ck g ro w th ra te (m m /N ) CT1 CT2 CT3 L304-048 L304-049 圖 4.6 304 不銹鋼小試片和 CT 試片 da/dn~△Keff 關係圖
1 10 100 Delta stress intensity factor(MPam)
1x10-6 1x10-5 1x10-4 1x10-3 C ra c k g ro w th ra te (m m /N ) R=0.1 R=0.3 R=0.5 L4340-050 L4340-051 L4340-053 L4340-054 圖 4.7 4340 合金鋼之小試片 da/dn~△K 關係圖 1 10 100
Delta effective stress intensity factor(MPam) 1x10-6 1x10-5 1x10-4 1x10-3 C ra c k g ro w th ra te (m m /N ) R=0.1 R=0.3 R=0.5 L4340-050 L4340-051 L4340-053 L4340-054 圖 4.8 4340 合金鋼之小試片 da/dn~△Keff 關係圖
圖 4.9 2014 鋁合金疲勞斷面末端之破壞。
圖 4.11 7075 鋁合金最後斷裂之 SEM 照片。
圖 4.13 304 不鏽鋼最終破壞斷面之顯微照片
五、結論與建議
5.1 結論
本計劃開發了一部利用壓電致動器驅動的微型平板試片疲勞試驗機 的出力最高為 800N，最大容許變形量為 150m ，負載變化的頻率最高可 達 100 Hz，但因受限於最大容許變形量，測試含裂縫的微型平板試片時， 最大出力約為 300N ，不過此最大出力視試片材料及裂縫長度而異。 利用微型疲勞試驗機，針對 2014 鋁合金､7075 鋁合金､304 不鏽鋼 和 4340 合金鋼之小試片，進行了疲勞裂縫生長性質的測定，小試片與標準 CT 試片實驗出來的結果，可整理成以下幾點： 1. 微型疲勞試驗機有體積小、靈敏度高、工作頻率高等優點，對於減 少所需佔用的空間､縮短實驗所需的時間有相當的幫助。 2. 由微型試片所測得的疲勞裂縫成長速度數據，在相同的K 下，比 標準 CT 試片所測得的結果低，主要原因，是由於小試片塑性拘束 較小，而且施力隨裂縫成長快速下降，導致較嚴重的裂縫封閉所致。 3. 四種材料之小試片在微型疲勞試驗機所得到的數據，如利用有考慮 裂縫封閉的有效應力強度因子 Keff 來比較，則與標準 CT 試片利 用傳統之 MTS 材料試驗機所測得的疲勞性質曲線基本吻合，證明微 型疲勞試驗機進行微型平板試片之疲勞實驗是切實可行的。5.2 未來工作建議
從本計劃開發與驗證微型疲勞試驗機的經驗，可歸納出以下幾點建議：
1. 目前的控制尚未得到負回饋控制（feedback control），僅為 open loop control， 下一代的試驗機應朝 feedback control 前進，以增加負載控制的精確度。 2. 在目前實驗中，常受限於壓電致動器之伸長量，不能達到整個過程保持一 定力量輸出，將來必需採用伸長量較大的壓電致動器。 3. 壓電致動器容許在相當高的頻率工作，目前最高的負載頻率為 100Hz，是 受限於高壓放大器的輸出阻抗與壓電致動器的匹配問題，在選擇新的致動 器的同時，也應考慮使用匹配容量范圍更大的高壓放大器。
六、計畫進度自評
本計劃所擬定的各項工作，基本均已完成，計劃成功開發出一個利用微小 試片進行疲勞裂縫成長性質測試的方法，計劃中建立了一臺微型平板試片的試 驗機，啟示了一些設計製造這類型試驗機的要點，以及進行測試的技巧與數據 分析的方法。對於工業界或學界面臨不能取得足夠材料，但欲進行疲勞性質測 試的情形，應有相當正面的幫助。七、參考文獻
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