IF 鋼疲勞裂縫成長速率10-4mm/cycle、10-5mm/cycle及2×10-5mm/cycle對應不同應力強度因子，其裂縫周圍皆為小於2μm之差排胞。由裂縫兩旁依序為小差排胞、大差排胞、差排牆、及差排團，顯示裂縫成長其組織必為飽和差排胞。
IF 鋼在應力比率R=0.1，裂縫成長速率達到10-5mm/cycle後，上升最小負荷，分別進行改變R=0.3、0.4、0.45及0.5之實驗。其結果顯示IF鋼其疲勞裂縫成長會的確會受到應力比率R的影響。其裂縫成長速率不僅會隨R的增加而增加，其疲勞門檻也隨R的增加而降低。
以電子顯微鏡觀察疲勞裂縫尖端在不同應力比率(R)作用下，在相同成長速率其差排組織之形貌及大小之差異並不大，即，提高平均應力後，達到裂縫成長之結構較易形成，導致其疲勞門檻下降。

none

論文摘要 I
總目錄 II
圖目錄 IV

壹、前言 1
1.1 背景 1
1.2 研究動機與目的 2
貳、文獻回顧 4
2.1 接近門檻的裂縫成長 4
2.2 裂痕延遲行為 5
2.3 疲勞與差排組織 9
2.4 疲勞裂縫的起始與成長 10
2.5 裂縫尖端差排結構 12
2.6 裂縫成長加速和延遲 14
參、實驗方法 16
3.1 材料選擇與前處理 16
3.2 材料晶粒大小觀察 16
3.3 疲勞裂痕成長實驗 17
3.3.1 改變R 提升平均應力 18
3.4 疲勞裂痕成長試片 19
肆、結果與討論 20
4.1裂縫成長實驗 20
4.1.1裂縫成長速率10-4mm/cycl 20
4.1.2裂縫成長速率10-5mm/cycle 22
4.1.3裂縫成長速率2×10-6mm/cycle 24
4.2改變R，da/dN-△K curve 25
4.2.1 R=0.4裂縫成長速率5×10-6mm/cycle 25
4.2.2 R=0.5裂縫成長速率2×10-6mm/cycle、5×10-6mm/cycle 26
伍、結論 28
陸、參考文獻 29
柒、圖 35


圖目錄
Fig. 1-1. 對固定應力範圍而言，各種σm值對循環應力的影響。 35
Fig. 1-2. 多晶銅裂縫成長實驗之裂縫尖端的差排結構示意圖。[2] 36
Fig. 2-1. 圖式說明不同區穩定疲勞裂縫成長。 37
Fig. 2-2. (a)-(c)表示金屬材料的基本門檻作用。(d)表示Paris and Schmidt裂痕閉合門檻模型。[6] 38
Fig. 2-3. 疲勞裂縫兩側互相接觸而未能張開，以破壞力學觀點來說，△K=0，使疲勞裂縫停止成長。 39
Fig. 2-4. Kth以斜率α隨Kmax線性變化。[6] 39
Fig. 2-5. 一系列代具表性的應力比率對於疲勞門檻△Kth資料。曲線有一致的斜率，在高負載比率，閉合可能被消除。[6] 40
Fig. 2-6. Ti－6Al－4V門檻成長速率10-10m/cycle的負載條件(50和 100Hz。(a)門檻週期應力強度△Kth與R的關係(b)門檻最大應力強度kmax,th與R的關係(c) △Kth當kmax,th的關係。[6] 41
Fig. 2-7. 裂縫閉合，由unloading compliance量測，保持大約在Kcl ∼2MPa。(b)當裂縫閉合時其有效應力強度△Keff,th＝(Kmax－Kcl)，在R＝0.1和R=0.5之間負載比率的影響可被忽略。[6] 42
Fig. 2-8. 以一數據和具相同基材的未知合金估算此未知合金的門檻作用。[11] 43
Fig. 3-1. 疲勞單邊裂縫成長試片(compact tension )。 44
Fig. 3-2. IF 鋼熱處理後金相。 45
Fig. 3-3. INSTRON 全密閉式伺服液壓系統動力疲勞試驗機(左)與8801型微電腦控制盤(右)。 45
Fig. 3-4. 裂縫成長試片施力方向示意圖。 46
Fig. 3-5. 量測裂痕長度之移動式顯微鏡(Travel Microcospy)。 46
Fig. 3-6. 機械槽口(notch)和疲勞最小預裂要求。 47
Fig. 3-7. 提升Kmin，改變R條件之荷重示意圖。 48
Fig. 3-8. SEM試片punch 3mm圓片位置圖。 48
Fig. 3-9. Sturus Tumple 雙噴流(twin jet)電解拋光機。 49
Fig. 4-1. (a)疲勞裂紋成長隨疲勞循環次數N變化之函數圖。(b)由圖(a)微分後得到之斜率值與△K 繪成之IF鋼裂縫成長速率da/dN隨應力增量△K變化的函數曲線。 50
Fig. 4-2. 裂縫成長速率10-4mm/cycle之試片表面裂縫形貌圖。 51
Fig. 4-3. (a)裂縫成長速率10-4mm/cycle時，裂縫尖端低倍圖；其差排組織依序為錯位差排胞、差排胞、差排牆等。 52
Fig. 4-3. (b) 縫尖端的差組織依序為錯位差排胞、差排胞。(c)為圖(a)A區放大圖，裂縫成長速率10-4mm/cycle時, 裂縫尖端前為差排胞。 53
Fig. 4-3. (d)、(e)為圖(a)B及C區放大圖，裂縫成長速率10-4mm/cycle時, 裂縫尖端遠處為低角度差排胞與差排牆。 54
Fig. 4-4. 以小於2μm之差排胞為邊界，R=0.1裂縫成長速率10-4mm/cycle裂縫尖端的塑性變形區示意圖。 55
Fig. 4-5. (a)裂縫成長速率10-5mm/cycle時，疲勞裂縫低倍圖；其差排組織依序為錯位差排胞、差排胞、差排牆、差排團。 56
Fig. 4-5. (b) (c)為(a)圖中A區的局部放大圖。裂縫成長速率10-5mm/cycle時，裂縫兩旁的差排組織依序為小差排胞、大差胞及差排團。 57
Fig. 4-5. (d)、(e)為(a)圖中B區的局部放大圖。 58
Fig. 4-5. (f)、(g)為(a)圖中C及D區的局部放大圖。 59
Fig. 4-6. 以小於2μm及5μm之差排胞為邊界，裂縫成長速率10-5mm/cycle裂縫尖端的差排組織示意圖。 60
Fig. 4-7. (a)裂縫成長速率5×10-6mm/cycle時，疲勞裂縫低倍圖；裂縫兩旁之差排組織依序為錯位差排胞、差排胞、差排團。(b)為裂縫尖端放大圖 61
Fig. 4-7. (b)、(c)分別為(a)圖中之局部放大圖 62
Fig. 4-8. 以小於2μm及5μm之差排胞為邊界，R=0.1疲勞裂縫成長速率5×10-6mm/cycle裂縫尖端之塑性變形區示意圖。 63
Fig. 4-9. (a)裂縫成長速率2×10-6mm/cycle時，疲勞裂縫低倍圖；其差排組織依序為錯位差排胞、差排胞、差排牆、差排團。(b)為高倍圖。 64
Fig. 4-10. 以小於2μm及5μm之差排胞為邊界，R=0.1疲勞裂縫成長速率2×10-6mm/cycle，裂縫尖端之塑性變形區示意圖。 65
Fig. 4-11. 負載比率R對疲勞裂縫成長的影響。當R增加，於相同△K作用下裂縫成長速率上升，疲勞門檻下降。 66
Fig. 4-12. △K與R之關係。 67
Fig. 4-13. 裂縫成長速率達到10-5mm/cycle後，上升Kmin，使R=0.1改變成R=0.3。裂縫長速率於相同應力強度因數作用下，得到較高成長速率。 68
Fig. 4-14. R=0.4之負荷變化示意圖。 69
Fig. 4-15. 裂縫成長速率達到10-5mm/cycle後，上升Kmin，使R=0.1改變成R=0.4。應力強度因子降到9.38MPa√m，裂縫成長速率之曲線向上平移。 70
Fig. 4-16. (a) R=0.4裂縫成長速率5×10-6mm/cycle, 裂縫尖端低倍圖。其差排組織為錯位差排胞、差排胞及差排團。 71
Fig. 4-16. (b)、(c)分別為(a)圖中A與B區之局部放大圖。 72
Fig. 4-16. (d)為(a)圖中C區之局部放大圖，距裂縫尖端30μm處為差排團。 73
Fig. 4-17. 以小於2μm及5μm之差排胞為邊界，R=0.4裂縫成長速率5×10-6mm/cycle之裂縫尖端塑性變形區示意圖。 74
Fig. 4-18. (a)R=0.45裂縫成長速率2×10-6mm/cycle，疲勞裂縫低倍圖；裂縫兩旁之差排組織依序為錯位差排胞、大差排胞、差排團。(b) 為放大圖。 75
Fig. 4-19. 以小於2μm及5μm之差排胞為邊界，R=0.45裂縫成長速率2×10-6mm/cycle之裂縫尖端塑性變形區示意圖。 76
Fig. 4-20. (a)R=0.45，裂縫成長速率5×10-6mm/cycle，疲勞裂縫低倍圖；裂縫兩旁之差排組織依序為錯位差排胞、差排胞、差排團。 77
Fig. 4-20. (b)、(c)為圖(a)之高倍圖 78
Fig. 4-21. 以小於2μm及5μm之差排胞為邊界，R=0.45裂縫成長速率5×10-6mm/cycle之裂縫尖端塑性變形區示意圖。 79
Fig. 4-22. R=0.5之荷重變化示意圖。 80
Fig. 4-23. 裂縫成長速率達到10-5mm/cycle後，上升Kmin，使R=0.1改變成R=0.5。使得曲線向左移，表示於一較低門檻值(△K＝Kmax－Kmin)裂縫便可成長。 81
Fig. 4-24. (a)R=0.5裂縫成長速率2×10-6mm/cycle之裂縫尖端低倍圖。(b)為尖端處放大圖。

【1】 黃興祿 “多晶銅之疲勞裂痕起始與不同裂痕成長速率下之裂痕尖端微結構研究” 國立中山大學材料科學研究所博士論文, 1998。
【2】 H.L. Huang, N.J. Ho and W. B. Lin“The study of dislocation structures at fatigue crack tips in polycrystalline copper under various crack propagation rates at stage Ⅱ：crack propagatoin”Mater. Sci. Eng, A279, 261-265 (2000).
【3】 J. Awatani, K. Katagiri and H. Nakai “Dislocation structures around propagating fatigue cracks in iron”Metallurgical Transactions A, Vol. 9A, 111-116 (January 1978).
【4】 J. Awatani, K. Katagiri and T. Shiraishi“Microstructures around the tips of fatigue cracks growing at a low rate in iron”Metallurgical Transactions A, Vol. 7A, 807-810 (June 1976).
【5】 黃維政 “IF鋼疲勞裂縫尖端的差排組織觀察” 國立中山大學材料科學研究所碩士論文 (2004)。
【6】 S. Suresh “Fatigue of Materials 2nd edition”343-345(1998)
【7】 B.L. Boyce and R.O. Ritchie“Effect of load ratio and maximum stress intensity of the fatigue threshold in Ti－6Al－4V”Eng. Fract. Mech., 68, 129-147 (2001).

【8】 R.O. Ritchie, B.L. Boyce, J.P. Campbell, O. Roder, A.W. Thompson and W.W. Milligan“Threshold for high-cycle fatigue in a turbine engine Ti－6Al－4V alloy”Int. J. Fatigue, 21, 653-662 (1999).
【9】 H. Doker“Fatigue crack growth threshold：implications, determination and data evaluation”Int. J. Fatigue, Vol. 19, 145-149 (1997).
【10】 S. Suresh and R.O. Ritchie“On the influence of environment on the load ratio dependence of fatigue thresholds in pressure Vessel steel”Engng. Fract. Mech., Vol. 18, 785-800, (1983)
【11】 S. Dubey, A.B. Soboyejo and W.O. Soboyejo“An investigation of the effects of stress ratio and crack closure on the micromechanismes of fatigue crack growth in Ti－6Al－4V”Acta Mater. Vol. 45, 2777-2787 (1997).
【12】 Peter K. Liaw, T.R. Leax, V.P. Swaminathan and J.K. Donald“Influence of load ratio on near-threshold fatigue crack propagation behavior”Scripta Metallurgica, Vol. 16, 871-876 (1982).
【13】 E. E. Laufer and W. N. Roberts“Dislocation Structures in Fatigue Copper Single Crystals”Philosophical Magazine, Vol. 10, 833-855 (1964).
【14】 S. J. Basinski, Z. S Basinski and A. Howie“Early Stages of Fatigue in Copper Single Crystals”Philosophical Magazine, Vol. 19, 899-924 (1969).

【15】 D. Kuhlmann-Wilsdorf and C. Lair,“Dislocations Behavior in Fatigue”Mater. Sci. Eng., Vol. 27, 137-156 (1977).
【16】 D. Kuhlmann-Wilsdorf and C. Lair“Dislocations Behavior in Fatigue：Part Ⅱ. Friction Stress and Back Stress as Inferred from an analysis of Hysteresis Loops”Mater. Sci. Eng., Vol. 37, 111-120 (1979).
【17】 D. Kuhlmann-Wilsdorf and C. Lair“Dislocations Behavior in Fatigue：Part Ⅲ. Properties of Loop Patch”Mater. Sci. Eng., Vol. 39, 127-139 (1979).
【18】 D. Kuhlmann-Wilsdorf and C. Lair“Dislocations Behavior in Fatigue：Part Ⅳ. Quantitative Interpretation of Friction Stress and Back Stress from Hysteresis Loop”Mater. Sci. Eng., Vol. 39, 231-345 (1979).
【19】 D. Kuhlmann-Wilsdorf and C. Lair“Dislocations Behavior in Fatigue：Part Ⅴ. Breakdown the Loop Patches and Formation Persistent Slip Band and of Dislocation Cells”Mater. Sci. Eng., Vol. 46, 209-219 (1980).
【20】 D. Kuhlmann-Wilsdorf and C. Lair“Dislocations Behavior in Fatigue：Part Ⅵ. Variation in the Localization of Strain in Persistent Slip Band”Mater. Sci. Eng., Vol. 50, 127-136 (1981).
【21】 M. Klesnil, J. Polak and P. Liskutin“Short crack growth close to the fatigue limit in low carbon steel”Scripta Metallurgica, Vol. 18, 1231-1234 (1984).

【22】 J. Polak, M. Klesnil and P. Liskutin “Initiation and growth of short fatigue cracks in α-iron”Acta Technica, 650-662 (1985).
【23】 J. Polak and M. Klesnil“Fatigue crack initiation and growth in alpha-iron polycrystals”Fracture control of engineering structures, 1559-1568.
【24】 J. C. Figueroa and C. Laird“The Cyclic Stress-Strain Response of Copper at Low Strain I. Constant Amplitude Testing”Acta Metallurgica, 29, 1667-1678 (1981).
【25】 J. C. Figueroa and C. Laird “The Cyclic Stress-Strain Response of Copper at Low Strain II. Variable Amplitude Testing”Acta Metallurgica, 29, 1679-1684 (1981).
【26】 A. H. Purcell and J. Weertman“Transmission Electron Microscopy of the Crack Tip Region of Fatigue Copper Single Crystals”Metallurgical Transactions, Vol. 4, 349-353 (1973).
【27】 D. Kuhlmann-Wilsdorf, E. E. Laufer and H. Nine“Formation of Fatigue Striations in f.c.c Metals”Journal of applied physics, Vol. 38, 896-898 (1967).
【28】 T. Ogura, T. Masumoto and Y. Imai“Transmission Electron Microscope study on the structure around fatigue cracks of α-iron”Trans. Jpn. Inst. Met. (JIM), Vol. 17, 733-742 (1976).
【29】 J. T. McGrath and W. J. Bratina“Dislocation Arrangements in Fatigue Iron”Phil. Mag, Vol. 11, 429-431 (1965).

【30】 J. J. Gilman“Debris Mechanism of Strain-Hardening”Journal of applied physics, Vol. 33, 2703-2709 (1962)
【31】 T.K. Chaki and J.C.M. Li“Overload effect and fatigue crack propagation in amorphous metallic alloys”Script Metallurgica, Vol. 18,703-708 (1984).
【32】 H.L. Huang and N.J. Ho“The observation and analysis of the dislocation morphology of fatigue crack tips at steady state propagation rates subject to a single peak load”Mater. Sci. Eng, A298, 251-261 (2001).
【33】 曾煥廷“觀察純銅在疲勞裂痕生長中，其差排組織的演化與裂痕閉合相互關係之研究” 國立中山大學材料科學研究所碩士論文 (2000)。
【34】 H.L. Huang and N.J. Ho “The observation of dislocation reversal in front of crack tips of polycrystalline copper after reducing maximum load ” Mater. Sci. Eng., A345, 215-222 (2003).
【35】 D. L. Chen, D. Melisova, B. Weiss, R. Stickler “Electron Channelling Contrast Technique Applied to the Characterization of Dislocation Structures in the Vicinity of a Fatigue Crack”Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. 20(1997)1551-1561.
【36】 Y. Kaneko, M. Ishikawa, S. Hashimoto“Dislocation Structures around Crack Tips of Fatigued Polycrystalline Copper” A400-401(2005)418-421.
【37】 黃世裕“高低負載變化對IF鋼裂縫尖端差排組織變化的觀察” 國立中山大學材料科學研究所碩士論文(2005)。

【38】 K. Katagiri, J. Awatani, A. Oumra, K. Koyanagi, T. Shiraishi, in fatigue mechanisms, proceedings of an ASTM – NBS – NSF Symposium, edited by J. T. Fong, American Society for Testing and Materials, Philadelphia, ASTM – STP 675 (1979) 106.
【39】 C. C. Shih, N. J. Ho and H. L. Huang “The relationship between cyclic stress-stress curve and dislocation structures in cyclically deformed IF steel” Mater. Sci. Eng.A(2009)
【40】 王天德,“不對稱高低週期應變對IF鋼差排組織形貌影響之研究” 國立中山大學材料科學研究所碩士論文 (2007) 。