摘 要:某ZKG２２３釬桿連接套管在使用過程中發(fā)生斷裂失效.通過宏觀檢查、化學(xué)成分分析、 金相檢驗(yàn)、斷口分析對(duì)套管斷裂失效原因進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:該連接套管斷裂類型為疲勞斷 裂.斷裂起源于套管內(nèi)壁螺紋損傷處,套管與釬桿裝配時(shí)存在連接松動(dòng)造成使用過程中螺紋發(fā)生 磕碰擠壓損傷,引起疲勞裂紋的萌生及擴(kuò)展,最終導(dǎo)致套管斷裂失效. 

關(guān)鍵詞:套管;疲勞斷裂;連接松動(dòng);擠壓損傷 

中圖分類號(hào):TG１１５．５     文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１９)１１Ｇ０７９１Ｇ０４ 

釬桿是井巷工程中連接鉆頭和鑿巖的機(jī)具,其在 工作時(shí)受到鑿巖機(jī)活塞的高頻沖擊,承受較大且復(fù)雜 的交變應(yīng)力.在該工作條件下,對(duì)釬桿連接套管的硬 度、韌性、強(qiáng)度等力學(xué)性能等有較高的要求[１].某廠 生產(chǎn)了一批ZKG２２３釬桿連接套管,該套管原材料為 規(guī)格?７３mm×１５．５mm 的鋼管(退火狀態(tài)),生產(chǎn)加 工工藝:鋸切下料后車加工,經(jīng)過滲碳＋淬火＋低溫 回火,涂色裝配使用.該批套管比其他批次的套管使 用壽命明顯縮短,在未達(dá)到正常使用壽命的情況下出 現(xiàn)大量斷裂的現(xiàn)象.為查明該ZKG２２３釬桿連接套管 斷裂失效的原因,筆者對(duì)其進(jìn)行了理化檢驗(yàn)和分析.

１ 理化檢驗(yàn) 

１．１ 宏觀檢查 

對(duì)ZKG２２３釬 桿 連 接 套 管 進(jìn) 行 宏 觀 檢 查,由 圖１可見,沿管身縱向存在直線狀裂紋且裂紋貫穿 壁厚,套管內(nèi)壁有螺紋套扣.在裂紋兩側(cè)１０mm 處 進(jìn)行線切割打開斷口,可見斷口較平整,疲勞源、疲 勞擴(kuò)展區(qū)及瞬斷區(qū)清晰可辨.疲勞源位于套管內(nèi)壁 第一個(gè)螺紋處,啟裂于一個(gè)凹坑,該凹坑不規(guī)則且損 傷特征明顯,推測(cè)與磕碰有關(guān);疲勞擴(kuò)展區(qū)呈光滑扇 面,存在明顯的弧形貝紋線;瞬斷區(qū)呈粗糙木紋狀, 且面積遠(yuǎn)大于疲勞區(qū),說明套管在斷裂過程中承受 了較大的應(yīng)力. 

１．２ 化學(xué)成分分析 

對(duì)套管取樣使用直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分 析.由表１ 可 以 看 出,套 管 的 化 學(xué) 成 分 符 合 設(shè) 計(jì) 要求. 

１．３ 金相檢驗(yàn) 

沿套管斷口的疲勞源區(qū)切開,研磨試樣截面,經(jīng) 體積分?jǐn)?shù)為４％的硝酸酒精溶液浸蝕后,采用奧林 巴斯 BX４１M 型金相顯微鏡觀察,由圖２可見,截面 (斷面)邊緣沒有脫碳現(xiàn)象,內(nèi)部組織為回火馬氏體,疲勞源區(qū)靠?jī)?nèi)壁處約有１mm 滲碳層,高倍下滲碳 層內(nèi)可見白色塊狀回火馬氏體組織,靠近內(nèi)壁表面 可見深色扭曲變形組織,分析認(rèn)為是由形變過程導(dǎo) 致的局部發(fā)熱造成的.

１．４ 斷口分析

套 管 斷 口 經(jīng) 酒 精 超 聲 清 洗 后,采 用 FEI QUANTA４００F型掃描電鏡(SEM)觀察形貌.由 圖３a)可見,斷口疲勞源具有平坦、光滑、裂紋細(xì)密 的特征,這是由于該區(qū)域疲勞循環(huán)時(shí)間較長(zhǎng),在交替 的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力作用下,裂紋反復(fù)張開和閉合,裂 紋表面發(fā)生了輕微摩擦和擠壓.在疲勞擴(kuò)展區(qū),沿 裂紋擴(kuò)展方向可見輻射狀的塑性疲勞溝線和環(huán)狀疲 勞灰紋,距離疲勞源越遠(yuǎn),疲勞滑移臺(tái)階越寬,疲勞 條帶也越清晰,見圖３b),這是由于裂紋擴(kuò)展距疲勞 源越遠(yuǎn)其擴(kuò)展速率越快[２].在疲勞擴(kuò)展區(qū)與瞬斷區(qū) 交界處,斷 口 更 粗 糙,存 在 明 顯 的 疲 勞 弧 線[２],如 圖３c)所示.瞬斷區(qū)表面粗糙,呈現(xiàn)出規(guī)則的豎條 狀,如圖３d)所示[３Ｇ４].

在低倍下觀察套管斷口疲勞源截面,可見靠近 斷口一面較光滑,未見氧化、夾雜等冶金缺陷,靠近 鋼管內(nèi)壁可見磕碰坑,坑內(nèi)未見氧化物和夾雜物,如 圖４所示. 

２ 分析與討論

由套管化學(xué)成分分析結(jié)果可知,套管的材料成分滿足設(shè) 計(jì) 要 求.通 過 對(duì) 套 管 的 宏 觀、微 觀 形 貌 分析,可得 出 套 管 斷 裂 模 式 為 疲 勞 斷 裂.疲 勞 斷 口的形成是 循 環(huán) 應(yīng) 力 作 用 累 積 的 最 終 結(jié) 果,是 一 個(gè)疲勞裂紋萌生、擴(kuò)展、快速斷裂的過程.套管裂 紋起源于內(nèi)壁螺紋處,此處存在不規(guī)則凹坑(磕碰 損傷痕跡),該 凹 坑 極 易 造 成 應(yīng) 力 集 中,在 循 環(huán) 應(yīng) 力作用 下 導(dǎo) 致 疲 勞 裂 紋 的 萌 生. 疲 勞 裂 紋 形 成 后,裂紋尖端處于張開型平面應(yīng)變狀態(tài),裂紋擴(kuò)展 模式受到裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子 K 的顯著影響, 關(guān)系式如下

式中:Y 為裂紋形狀系數(shù);σ 為 與 裂 紋 垂 直 的 拉 應(yīng) 力;a 為裂紋長(zhǎng)度.

當(dāng)加載應(yīng)力較小時(shí),疲勞裂紋尖端的應(yīng)力較小, 裂紋擴(kuò)展速率較小,當(dāng)裂紋經(jīng)過較長(zhǎng)的穩(wěn)定擴(kuò)展達(dá) 到臨界尺寸時(shí),裂紋尖端強(qiáng)度因子 K 達(dá)到裂紋斷裂 因子大小,套管發(fā)生失穩(wěn)斷裂;當(dāng)加載應(yīng)力水平較大 時(shí),疲勞裂紋尖端的應(yīng)力較大,裂紋擴(kuò)展速率較大, 裂紋經(jīng)過短暫的擴(kuò)展就會(huì)達(dá)到臨界尺寸造成套管失 穩(wěn)斷裂.由于套管在工作環(huán)境下會(huì)承受較大的應(yīng) 力,更容易發(fā)生失穩(wěn)斷裂[５Ｇ６]. 

套管斷面疲勞源區(qū)組織的滲碳層內(nèi)可觀察到白 塊狀馬氏體二次回火組織,且表面組織扭曲變形,考 慮到此處正好是套管與釬桿螺紋連接處,加上內(nèi)壁 存在缺陷,可以判斷由于套管與釬桿裝配時(shí)連接松 動(dòng),在使用過程中相互擠壓造成磕碰損傷,產(chǎn)生局部 發(fā)熱,形成變形回火組織,從而降低了材料的力學(xué)性 能,磕碰損傷為裂紋萌生提供了條件,在外應(yīng)力反復(fù) 作用下造成套管的斷裂失效.

３ 結(jié)論及建議 

該釬桿連接套管斷裂類型為疲勞斷裂.斷裂起 源于套管內(nèi)壁螺紋損傷處,由于套管與釬桿裝配時(shí)的 連接松動(dòng)造成使用過程中螺紋磕碰擠壓損傷,從而促 使疲勞裂紋的萌生擴(kuò)展,最終導(dǎo)致套管斷裂失效. 

建議加強(qiáng)對(duì)套管內(nèi)壁小缺陷情況的檢查,緊固 釬桿和套管的連接,減少類似情況發(fā)生. 

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<文章來(lái)源> 材料與測(cè)試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè) > 55卷 > 11期 (pp:791-794)>