您当前的位置：检测资讯 > 检测案例
嘉峪检测网 2020-01-09 17:51
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。
某厂生产了一批ZKG223钎杆连接套管，该套管原材料为规格ϕ73mm×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。
理化检验
1、宏观检查
图1 套管断口形貌
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。
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。
表1 套管的化学成分分析结果(质量分数)％
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。
图2 套管疲劳源区截面显微组织形貌
4、断口分析
套管断口经酒精超声清洗后，采用FEI QUANTA 400F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。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，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。
图3 套管断口不同区域的SEM形貌
图4 套管断口疲劳源截面SEM形貌
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。
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。
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。
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。
作者：李波，工程师，大冶特殊钢有限公司
来源：Internet
