摘 要:某ZKG２２３釬桿連接套管在使用過程中發生斷裂失效.通過宏觀檢查、化學成分分析、 金相檢驗、斷口分析對套管斷裂失效原因進行了分析.結果表明:該連接套管斷裂類型為疲勞斷 裂.斷裂起源于套管內壁螺紋損傷處,套管與釬桿裝配時存在連接松動造成使用過程中螺紋發生 磕碰擠壓損傷,引起疲勞裂紋的萌生及擴展,最終導致套管斷裂失效.
關鍵詞:套管;疲勞斷裂;連接松動;擠壓損傷
中圖分類號:TG１１５．５ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１１Ｇ０７９１Ｇ０４
釬桿是井巷工程中連接鉆頭和鑿巖的機具,其在 工作時受到鑿巖機活塞的高頻沖擊,承受較大且復雜 的交變應力.在該工作條件下,對釬桿連接套管的硬 度、韌性、強度等力學性能等有較高的要求[１].某廠 生產了一批ZKG２２３釬桿連接套管,該套管原材料為 規格?７３mm×１５．５mm 的鋼管(退火狀態),生產加 工工藝:鋸切下料后車加工,經過滲碳＋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,在未達到正常使用壽命的情況下出 現大量斷裂的現象.為查明該ZKG２２３釬桿連接套管 斷裂失效的原因,筆者對其進行了理化檢驗和分析.
１ 理化檢驗
１．１ 宏觀檢查
對ZKG２２３釬 桿 連 接 套 管 進 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,套管內壁有螺紋套扣.在裂紋兩側１０mm 處 進行線切割打開斷口,可見斷口較平整,疲勞源、疲 勞擴展區及瞬斷區清晰可辨.疲勞源位于套管內壁 第一個螺紋處,啟裂于一個凹坑,該凹坑不規則且損 傷特征明顯,推測與磕碰有關;疲勞擴展區呈光滑扇 面,存在明顯的弧形貝紋線;瞬斷區呈粗糙木紋狀, 且面積遠大于疲勞區,說明套管在斷裂過程中承受 了較大的應力.
１．２ 化學成分分析
對套管取樣使用直讀光譜儀進行化學成分分 析.由表１ 可 以 看 出,套 管 的 化 學 成 分 符 合 設 計 要求.
１．３ 金相檢驗
沿套管斷口的疲勞源區切開,研磨試樣截面,經 體積分數為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)邊緣沒有脫碳現象,內部組織為回火馬氏體,疲勞源區靠內壁處約有１mm 滲碳層,高倍下滲碳 層內可見白色塊狀回火馬氏體組織,靠近內壁表面 可見深色扭曲變形組織,分析認為是由形變過程導 致的局部發熱造成的.
１．４ 斷口分析
套 管 斷 口 經 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、裂紋細密 的特征,這是由于該區域疲勞循環時間較長,在交替 的拉應力和壓應力作用下,裂紋反復張開和閉合,裂 紋表面發生了輕微摩擦和擠壓.在疲勞擴展區,沿 裂紋擴展方向可見輻射狀的塑性疲勞溝線和環狀疲 勞灰紋,距離疲勞源越遠,疲勞滑移臺階越寬,疲勞 條帶也越清晰,見圖３b),這是由于裂紋擴展距疲勞 源越遠其擴展速率越快[２].在疲勞擴展區與瞬斷區 交界處,斷 口 更 粗 糙,存 在 明 顯 的 疲 勞 弧 線[２],如 圖３c)所示.瞬斷區表面粗糙,呈現出規則的豎條 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 鋼管內壁可見磕碰坑,坑內未見氧化物和夾雜物,如 圖４所示.
２ 分析與討論
由套管化學成分分析結果可知,套管的材料成分滿足設 計 要 求.通 過 對 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 應 力 作 用 累 積 的 最 終 結 果,是 一 個疲勞裂紋萌生、擴展、快速斷裂的過程.套管裂 紋起源于內壁螺紋處,此處存在不規則凹坑(磕碰 損傷痕跡),該 凹 坑 極 易 造 成 應 力 集 中,在 循 環 應 力作用 下 導 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變狀態,裂紋擴展 模式受到裂紋尖端應力強度因子 K 的顯著影響, 關系式如下
式中:Y 為裂紋形狀系數;σ 為 與 裂 紋 垂 直 的 拉 應 力;a 為裂紋長度.
當加載應力較小時,疲勞裂紋尖端的應力較小, 裂紋擴展速率較小,當裂紋經過較長的穩定擴展達 到臨界尺寸時,裂紋尖端強度因子 K 達到裂紋斷裂 因子大小,套管發生失穩斷裂;當加載應力水平較大 時,疲勞裂紋尖端的應力較大,裂紋擴展速率較大, 裂紋經過短暫的擴展就會達到臨界尺寸造成套管失 穩斷裂.由于套管在工作環境下會承受較大的應 力,更容易發生失穩斷裂[５Ｇ６].
套管斷面疲勞源區組織的滲碳層內可觀察到白 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,加上內壁 存在缺陷,可以判斷由于套管與釬桿裝配時連接松 動,在使用過程中相互擠壓造成磕碰損傷,產生局部 發熱,形成變形回火組織,從而降低了材料的力學性 能,磕碰損傷為裂紋萌生提供了條件,在外應力反復 作用下造成套管的斷裂失效.
３ 結論及建議
該釬桿連接套管斷裂類型為疲勞斷裂.斷裂起 源于套管內壁螺紋損傷處,由于套管與釬桿裝配時的 連接松動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展,最終導致套管斷裂失效.
建議加強對套管內壁小缺陷情況的檢查,緊固 釬桿和套管的連接,減少類似情況發生.
參考文獻:
[１] 鐘勇,邢軍,宋守志．釬桿結構與抗疲勞壽命研究[J]． 中國礦業,２００５,１４(１２):７８Ｇ８１．
[２] 航空航天工業部航空裝備失效分析中心．金屬材料 斷口分析及圖譜[M]．北京:科學出版社,１９９１．
[３] 王榮．機械裝備的失效分析(續前)第３講 斷口分析 技術(上)[J]．理 化 檢 驗(物 理 分 冊),２０１６,５２(１０): ６９８Ｇ７０４．
[４] 王榮．機械裝備的失效分析(續前)第３講 斷口分析 技術(下)[J]．理 化 檢 驗(物 理 分 冊),２０１６,５２(１２): ８３３Ｇ８４０．
[５] 舒志強,袁鵬斌,歐陽志英,等．鋁合金鉆桿旋轉彎曲 疲勞斷口 特 征 [J]．理 化 檢 驗 (物 理 分 冊),２０１７,５３ (５):３０９Ｇ３１３．
[６] 趙光菊,鐘蜀暉,鄧建華．TA６V 鈦合金疲勞斷口形貌 及斷口分析[J]．貴州工業大學學報(自然科學版), ２００７,３６(６):２５Ｇ２８．