摘 要:某ZKG２２３钎杆连接套管在使用过程中发生断裂失效.通过宏观检查、化学成分分析、 金相检验、断口分析对套管断裂失效原因进行了分析.结果表明:该连接套管断裂类型为疲劳断 裂.断裂起源于套管内壁螺纹损伤处,套管与钎杆装配时存在连接松动造成使用过程中螺纹发生 磕碰挤压损伤,引起疲劳裂纹的萌生及扩展,最终导致套管断裂失效.
关键词:套管;疲劳断裂;连接松动;挤压损伤
中图分类号:TG１１５．５ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１１Ｇ０７９１Ｇ０４
钎杆是井巷工程中连接钻头和凿岩的机具,其在 工作时受到凿岩机活塞的高频冲击,承受较大且复杂 的交变应力.在该工作条件下,对钎杆连接套管的硬 度、韧性、强度等力学性能等有较高的要求[１].某厂 生产了一批ZKG２２３钎杆连接套管,该套管原材料为 规格?７３mm×１５．５mm 的钢管(退火状态),生产加 工工艺:锯切下料后车加工,经过渗碳＋淬火＋低温 回火,涂色装配使用.该批套管比其他批次的套管使 用寿命明显缩短,在未达到正常使用寿命的情况下出 现大量断裂的现象.为查明该ZKG２２３钎杆连接套管 断裂失效的原因,笔者对其进行了理化检验和分析.
１ 理化检验
１．１ 宏观检查
对ZKG２２３钎 杆 连 接 套 管 进 行 宏 观 检 查,由 图１可见,沿管身纵向存在直线状裂纹且裂纹贯穿 壁厚,套管内壁有螺纹套扣.在裂纹两侧１０mm 处 进行线切割打开断口,可见断口较平整,疲劳源、疲 劳扩展区及瞬断区清晰可辨.疲劳源位于套管内壁 第一个螺纹处,启裂于一个凹坑,该凹坑不规则且损 伤特征明显,推测与磕碰有关;疲劳扩展区呈光滑扇 面,存在明显的弧形贝纹线;瞬断区呈粗糙木纹状, 且面积远大于疲劳区,说明套管在断裂过程中承受 了较大的应力.
１．２ 化学成分分析
对套管取样使用直读光谱仪进行化学成分分 析.由表１ 可 以 看 出,套 管 的 化 学 成 分 符 合 设 计 要求.
１．３ 金相检验
沿套管断口的疲劳源区切开,研磨试样截面,经 体积分数为４％的硝酸酒精溶液浸蚀后,采用奥林 巴斯 BX４１M 型金相显微镜观察,由图２可见,截面 (断面)边缘没有脱碳现象,内部组织为回火马氏体,疲劳源区靠内壁处约有１mm 渗碳层,高倍下渗碳 层内可见白色块状回火马氏体组织,靠近内壁表面 可见深色扭曲变形组织,分析认为是由形变过程导 致的局部发热造成的.
１．４ 断口分析
套 管 断 口 经 酒 精 超 声 清 洗 后,采 用 FEI QUANTA４００F型扫描电镜(SEM)观察形貌.由 图３a)可见,断口疲劳源具有平坦、光滑、裂纹细密 的特征,这是由于该区域疲劳循环时间较长,在交替 的拉应力和压应力作用下,裂纹反复张开和闭合,裂 纹表面发生了轻微摩擦和挤压.在疲劳扩展区,沿 裂纹扩展方向可见辐射状的塑性疲劳沟线和环状疲 劳灰纹,距离疲劳源越远,疲劳滑移台阶越宽,疲劳 条带也越清晰,见图３b),这是由于裂纹扩展距疲劳 源越远其扩展速率越快[２].在疲劳扩展区与瞬断区 交界处,断 口 更 粗 糙,存 在 明 显 的 疲 劳 弧 线[２],如 图３c)所示.瞬断区表面粗糙,呈现出规则的竖条 状,如图３d)所示[３Ｇ４].
在低倍下观察套管断口疲劳源截面,可见靠近 断口一面较光滑,未见氧化、夹杂等冶金缺陷,靠近 钢管内壁可见磕碰坑,坑内未见氧化物和夹杂物,如 图４所示.
２ 分析与讨论
由套管化学成分分析结果可知,套管的材料成分满足设 计 要 求.通 过 对 套 管 的 宏 观、微 观 形 貌 分析,可得 出 套 管 断 裂 模 式 为 疲 劳 断 裂.疲 劳 断 口的形成是 循 环 应 力 作 用 累 积 的 最 终 结 果,是 一 个疲劳裂纹萌生、扩展、快速断裂的过程.套管裂 纹起源于内壁螺纹处,此处存在不规则凹坑(磕碰 损伤痕迹),该 凹 坑 极 易 造 成 应 力 集 中,在 循 环 应 力作用 下 导 致 疲 劳 裂 纹 的 萌 生. 疲 劳 裂 纹 形 成 后,裂纹尖端处于张开型平面应变状态,裂纹扩展 模式受到裂纹尖端应力强度因子 K 的显著影响, 关系式如下
式中:Y 为裂纹形状系数;σ 为 与 裂 纹 垂 直 的 拉 应 力;a 为裂纹长度.
当加载应力较小时,疲劳裂纹尖端的应力较小, 裂纹扩展速率较小,当裂纹经过较长的稳定扩展达 到临界尺寸时,裂纹尖端强度因子 K 达到裂纹断裂 因子大小,套管发生失稳断裂;当加载应力水平较大 时,疲劳裂纹尖端的应力较大,裂纹扩展速率较大, 裂纹经过短暂的扩展就会达到临界尺寸造成套管失 稳断裂.由于套管在工作环境下会承受较大的应 力,更容易发生失稳断裂[５Ｇ６].
套管断面疲劳源区组织的渗碳层内可观察到白 块状马氏体二次回火组织,且表面组织扭曲变形,考 虑到此处正好是套管与钎杆螺纹连接处,加上内壁 存在缺陷,可以判断由于套管与钎杆装配时连接松 动,在使用过程中相互挤压造成磕碰损伤,产生局部 发热,形成变形回火组织,从而降低了材料的力学性 能,磕碰损伤为裂纹萌生提供了条件,在外应力反复 作用下造成套管的断裂失效.
３ 结论及建议
该钎杆连接套管断裂类型为疲劳断裂.断裂起 源于套管内壁螺纹损伤处,由于套管与钎杆装配时的 连接松动造成使用过程中螺纹磕碰挤压损伤,从而促 使疲劳裂纹的萌生扩展,最终导致套管断裂失效.
建议加强对套管内壁小缺陷情况的检查,紧固 钎杆和套管的连接,减少类似情况发生.
参考文献:
[１] 钟勇,邢军,宋守志．钎杆结构与抗疲劳寿命研究[J]． 中国矿业,２００５,１４(１２):７８Ｇ８１．
[２] 航空航天工业部航空装备失效分析中心．金属材料 断口分析及图谱[M]．北京:科学出版社,１９９１．
[３] 王荣．机械装备的失效分析(续前)第３讲 断口分析 技术(上)[J]．理 化 检 验(物 理 分 册),２０１６,５２(１０): ６９８Ｇ７０４．
[４] 王荣．机械装备的失效分析(续前)第３讲 断口分析 技术(下)[J]．理 化 检 验(物 理 分 册),２０１６,５２(１２): ８３３Ｇ８４０．
[５] 舒志强,袁鹏斌,欧阳志英,等．铝合金钻杆旋转弯曲 疲劳断口 特 征 [J]．理 化 检 验 (物 理 分 册),２０１７,５３ (５):３０９Ｇ３１３．
[６] 赵光菊,钟蜀晖,邓建华．TA６V 钛合金疲劳断口形貌 及断口分析[J]．贵州工业大学学报(自然科学版), ２００７,３６(６):２５Ｇ２８．