铝合金折弯性能和哪个参数有关（铝合金钻杆旋转弯曲疲劳断口特征）
铝合金折弯性能和哪个参数有关（铝合金钻杆旋转弯曲疲劳断口特征）２．１ 低应力下断口形貌观察２ 试验结果与讨论疲劳破坏过程中 疲劳断口是循环应力作用累积 的最终结果 能反映疲劳裂纹萌生、扩展、快速断裂的 全过程[６].近年来 随着铝合金材料在工业装备中应 用的增加 铝合金材料疲劳特性的研究主要集中在铝 合金材料的轴向疲劳裂纹萌生与扩展、低周疲劳特 性、疲劳裂纹扩展速率等方面[７Ｇ８] 而针对钻杆用铝合 金的旋转弯曲疲劳试验的研究较少.对此 笔者使用 扫描电镜对钻杆用铝合金在不同应力水平条件下的 旋转弯曲疲劳断口形貌进行了微观分析 并对其疲劳 裂纹的萌生和扩展规律进行了研究 旨在为铝合金钻 杆的开发和推广应用奠定理论基础.１ 试样制备与试验方法试验材料为ϕ１４７mm×１３mm 铝合金钻杆管 体 抗拉 强 度 为 ４６０ MPa 屈 服 强 度 为 ３２５ MPa. 图１为漏斗型光滑疲劳试样的形状尺寸示意图 试 验参照 GB/T４３３７－２０１５«金属材料
摘 要:首先对铝合金钻杆进行了不同应力幅值的旋转弯曲疲劳试验 然后采用扫描电镜观察 其断口微观形貌特征.结果表明:在１７０MPa低应力下 铝合金钻杆的疲劳断口可分为疲劳源区、 裂纹扩展区及瞬断区３个区域 微裂纹在试样次表面相界处萌生 裂纹稳态扩展区面积较大 占 ６０％以上;在２９０MPa高应力下 铝合金钻杆的疲劳断口上有多个疲劳源区 微裂纹于试样表面或 近表面位置形核 裂纹扩展区面积仅占１５％~３０％.对于同一试样 随着裂纹的扩展 断口上疲劳 滑移台阶变宽 疲劳条带逐渐清晰;对于不同试样 随着应力的提高 裂纹扩展速率增大 疲劳条带 间距变宽 更易出现二次疲劳裂纹 断口上裂纹扩展区面积明显减小 相应的疲劳寿命也大幅降低.
关键词:铝合金钻杆;疲劳断口;疲劳裂纹;萌生;扩展
中图分类号:TG１１５．５＋７;TG１１６．３ 文献标志码:A 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１７)０５Ｇ０３０９Ｇ０５
与钢质钻杆相比 铝合金钻杆比强度高、弹性模 量小 具有良好的抗弯曲性能 适合于曲率大的定向 井和水平井 在未来油气开采中具有广阔的应用前 景[１Ｇ４].石油钻杆在钻井作业中用于传递扭矩、输送 钻井液 主要承受拉、压、弯、扭、振动等载荷 服役环 境恶劣 受力状况复杂.随着深井、超深井、大斜度 井和大位移水平井等钻井技术的迅速发展 钻杆失 效事件时有发生.据石油管材研究中心近年来的分 析 疲劳失效约占钻杆失效总数的８０％ 尤其是在 旋转钻井过程中 钻杆发生屈曲或遇到弯曲井段时 会受到井眼轨迹的限制 钻杆表面将承受交替变化 的弯曲应力 易发生旋转弯曲疲劳失效[５].因此 在 铝合金钻杆开发过程中 研究其旋转弯曲疲劳特性 具有很高的工程应用价值.
疲劳破坏过程中 疲劳断口是循环应力作用累积 的最终结果 能反映疲劳裂纹萌生、扩展、快速断裂的 全过程[６].近年来 随着铝合金材料在工业装备中应 用的增加 铝合金材料疲劳特性的研究主要集中在铝 合金材料的轴向疲劳裂纹萌生与扩展、低周疲劳特 性、疲劳裂纹扩展速率等方面[７Ｇ８] 而针对钻杆用铝合 金的旋转弯曲疲劳试验的研究较少.对此 笔者使用 扫描电镜对钻杆用铝合金在不同应力水平条件下的 旋转弯曲疲劳断口形貌进行了微观分析 并对其疲劳 裂纹的萌生和扩展规律进行了研究 旨在为铝合金钻 杆的开发和推广应用奠定理论基础.
１ 试样制备与试验方法
试验材料为ϕ１４７mm×１３mm 铝合金钻杆管 体 抗拉 强 度 为 ４６０ MPa 屈 服 强 度 为 ３２５ MPa. 图１为漏斗型光滑疲劳试样的形状尺寸示意图 试 验参照 GB/T４３３７－２０１５«金属材料 疲劳试验 旋 转弯曲方法»[９] 在 PQＧ６型疲劳试验机上进行 应 力比R＝－１ 载荷波形为正弦波 循环加载频率为 ５０Hz.试验完成后 运用扫描电镜对不同应力水 平下各试样的疲劳断口形貌进行观察.
２ 试验结果与讨论
２．１ 低应力下断口形貌观察
铝合金钻杆材料在低应力下的疲劳断口形貌见 图２(HLＧ１试样) 加载应力为１７０ MPa 疲劳寿命 为９．０７×１０６次 属于低应力长寿命.由图２(a)可 见 该试样宏观断口表面较为平整 可清晰地划分为 疲劳源区、裂纹扩展区及瞬断区３个部分 疲劳源区 和裂纹扩展区面积比例达到６０％以上 瞬断区表面 粗糙不规则. 对于疲劳源区 在裂纹形核中心前方 裂纹沿滑 移面向前扩展的过程中 不同高度起始的裂纹前沿 线相遇 汇合形成从源区出发、沿裂纹扩展方向的 辐射状塑性疲劳沟线 见图２(b) 测量裂纹形核中心距试样表面约为３６３μm.图２(c)为裂纹形核中心 的微观形貌 属于裂纹扩展初始Ⅰ阶段 该阶段裂纹 扩展非常缓慢 疲劳循环时间较长 在交替的弯曲拉 应力和压应力的作用下 裂纹反复张开闭合 裂纹表 面之间发生微观磨擦和挤压 形成了平坦、光滑、细 密的形貌特征.仔细观察裂纹形核区中心形貌 可 以看到在外力作用下第二相粒子脱落留下的韧窝 即疲劳微裂纹起裂于相界处[１０Ｇ１１].
图２(d) (e)(分别为距疲劳源约１．０５ mm 位 置①和３．０８mm 位置②)为疲劳裂纹稳定扩展区第 Ⅱ阶段的微观形貌 为典型的疲劳滑移台阶和塑性 疲劳条带特征.可以看出 随着裂纹向前扩展 距离 疲劳源区越远 裂尖应力强度因子越大 疲劳裂纹扩 展速率越大 微观断口上的疲劳滑移台阶变宽 疲劳 条带也越来越清晰.对图２(e)局部放大 测量疲劳 条带间距约为０．３６２μm.另外 在滑移台阶面上还 可看到少许沿晶二次裂纹 如图２(d)箭头所指.
图２(f)为疲劳裂纹扩展第Ⅲ阶段(位置③)裂 纹扩展区与瞬断区交界处的微观形貌 该阶段裂纹 扩展速率提高了一到两个数量级 闭合效应减弱 挤 压摩擦减弱 断口逐渐变得粗糙 形成疲劳弧线与韧 窝共存的混合形貌[１２].
图２(g)为瞬断区的微观形貌 当裂纹扩展至临 界长度时 试样快速断裂 断口特征与该材料静载拉 伸形貌相似 由破碎的第二相颗粒 大量不同尺寸、 形状的孔洞和韧窝 以及分层撕裂棱组成 呈现出韧 性断裂特点.
２．２ 高应力下断口形貌观察
图３为 HLＧ２试样的疲劳断口形貌 其加载应 力幅值为２９０MPa 疲劳寿命为１．７×１０５次 属于高 应力短 寿 命.观 察 试 样 的 断 口 宏 观 形 貌 见 图 ３ (a) 可见疲劳源区中心距试样表面约１２４μm 疲劳 源区和裂纹扩展区所占面积比例约３０％.图３(b) (c)为裂纹稳定扩展区(宏观断口中位置①)在不同 放大倍数下的形貌 可以看出 在扩展区表面分布着 许多由断口表面向内部扩展、且与疲劳条带保持平 行的二次裂纹 这些二次裂纹有的由疲劳条带在反 复作用力下向内部扩展形成 有的在第二相粒子脱 落的孔洞处形成[１３] 如图３(c)中箭头所指 测量疲 劳条带间距约为０．７６９μm.
图４为 HLＧ３试样的疲劳断口形貌 其加载应 力幅值为２９０MPa 疲劳寿命为１．０×１０５次 属于高 应 力 短 寿 命 .图４(a)为 试 样 的 断 口 宏 观 形 貌
图４(b)~(e)为疲劳裂纹扩展区的不同位置在１００００ 倍下的微观形貌.由于该试样施加的应力幅值较高 断口上形成两个接近于对称、相互不影响的疲劳源 区 分别距试样表面约２２４μm 和２２２μm 由宏观形 貌可看出每个疲劳裂纹扩展区的面积约占整个断口 的３０％ 其中上疲劳源区的裂纹扩展区面积比例较 大.对比图４(d) (e) 同样处于疲劳裂纹扩展第Ⅲ阶 段(宏观断口的位置③ ④) 前者疲劳条带间距为 １．１３５μm 后者的为０．９４８μm 说明上疲劳源裂纹扩 展较快 为主疲劳源区.对上疲劳裂纹扩展区的不同扩展阶段区域仔细观察(宏观断口的位置① ② ③) 均可看到清晰的疲劳条带 见图４(b)~(d) 测量疲劳 条带间距分别为０．４８４ ０．８８８ １．１３５μm 即随着裂纹 向前扩展 裂纹尺寸增加 裂尖应力强度因子增大 使 得每一个循环过程中裂纹扩展延伸的距离增大 出现 了疲劳条带间距越来越宽的现象[１４].
图５为 HLＧ４试样的疲劳断口形貌 其加载应 力幅值为２９０ MPa 疲劳寿命为６．７８×１０４次 属于 高应力短寿命.观察该试样的宏观断口形貌 见图 ５(a) 试样断口上有４个疲劳源(位置①~④) 裂纹 起源于试样表面 其中位置①为主疲劳源.主疲劳 源的形貌在低倍下为结晶小平面 在高倍下呈现出 类解理断裂平面 见图５(b) 即裂纹在试样表面形 成后沿晶界缓慢扩展 当扩展至一定深度后转为穿 晶扩展.高应力集中晶界可被视为一种晶体缺陷 在交变载荷下容易出现位错塞积 沿晶界形成微裂 纹 继而产生这种裂纹沿晶扩展的现象[１５].
２．３ 疲劳裂纹的萌生与扩展
通过对铝合金钻杆疲劳断口形貌的观察 在各 试样疲劳断口裂纹形核中心未发现明显的夹杂物缺 陷或易产生微裂纹的加工痕迹.在１７０ MPa较低 应力水平下 疲劳裂纹在距试样表面３６３μm(试样 HLＧ１)的次表面处形核 第二相粒子从基体界面脱 落形成裂纹源.在２９０MPa较高应力水平下 由于 加载应力水平越高 试样组织变形越大 受到的疲劳 损伤程度也就越严重 疲劳裂纹可能萌生于试样表 面任何位置.因此 不同试样疲劳源区的形貌差异较大 在断口上出现一个或者多个疲劳源区 且这些疲劳源处于试样表面或更靠近于试样表面位置 疲 劳源形核方式也多种多样.其中 HLＧ２和 HLＧ３试 样的微裂纹在次表面相界处形核(分别距试样表面 约１２４μm 和２２４μm) HLＧ４试样的微裂纹有在应 力集中的晶界上形成沿晶裂纹 也有从表面起始的 短线源.即加载应力越高 铝合金组织相界或晶界、 甚至试样表面应力集中程度也越高 越易形成疲劳 微裂纹 且裂纹源越接近于试样表面.
在旋转弯曲疲劳试验中 疲劳裂纹形成之后 裂 尖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[１６] 见下式:
式中:Y 为裂纹形状系数;σ 为与裂纹面垂直的拉应 力;a 为裂纹长度.
当加载应力较小时 疲劳裂纹形成后裂纹尖端 的应力较小 裂纹扩展缓慢 对应的临界裂纹尺寸较 大 只有当裂纹经过较长的稳定扩展达到临界尺寸 时 裂纹尖端应力强度因子 K 达到断裂强度因子 KI 时才会发生失稳瞬断.反之 当加载应力水平增 大时 裂纹尖端应力较大 临界裂纹尺寸相应减小 裂纹扩展速率加大 经过短暂的扩展就会发生断裂. 因此 疲劳试验中加载１７０ MPa低应力水平时 裂 纹临界尺寸较大 裂纹扩展区平坦细密 扩展区面积 达６０％以上 疲劳循环次数较多.而在２９０MPa高 应 力 下 裂 纹 扩 展 区 面 积 比 例 明 显 减 小 只 有 １５％~３０％ 相应的疲劳寿命也非常短.另外 对于 同一试样 试验加载应力恒定 随着疲劳裂纹向前扩 展 裂纹尺寸加长 试样的承载面积减小 裂尖张开 应力增大 进一步加速了裂纹的扩展 在疲劳断口形 貌上的表现就是疲劳滑移台阶变宽 二次裂纹明显 增多 疲劳条带间距加大且越来越清晰.比如HLＧ３ 试样 距离疲劳源区越远 疲劳条带间距越大 分别 为０．４８４ ０．８８８ １．１３５μm.说明裂尖应力强度因子 越大 裂纹扩展速率越高 每个加载循环过程中裂纹 的扩展延伸距离越大 越容易发生失稳瞬断.
３ 结论
(１)在１７０MPa低应力水平下 铝合金钻杆的 疲劳断口较为平整 可清晰地划分为疲劳源区、裂纹 扩展区及瞬断区３个部分 疲劳微裂纹起源于试样 次表面 由第二相粒子从基体界面脱落形核 裂纹扩 展区面积较大约占６０％以上.在２９０ MPa高应力 水平下 铝合金钻杆的疲劳断口形貌差异较大 宏观 断口上出现一个或多个疲劳源 这些疲劳裂纹于试 样表面或更靠近表面位置萌生 扩展区面积比例明 显减小 只有１５％~３０％.
(２)铝合金钻杆疲劳裂纹扩展区的宏观形貌为 从疲劳源出发的辐射状疲劳沟线 在高倍下可观察 到疲劳滑移台阶、疲劳条带、二次裂纹等典型的疲劳 破坏特征.瞬断区与其静载拉伸断裂时的形貌相 似 为韧性断裂.
(３)铝合金钻杆疲劳裂纹的扩展过程中 对于 同一试样 随着裂纹向前扩展 裂纹尖端应力强度因 子增大 疲劳裂纹扩展速率增大 断口形貌呈现出疲 劳滑移台阶逐渐变宽 疲劳条带更清晰、条带间距也 逐渐变大;对于不同试样 随着应力水平的提高 裂 纹扩展速率增大 断口上裂纹扩展区所占面积比例 明显减小 疲劳条带间距逐渐变大 更易出现二次疲 劳裂纹 相应的疲劳寿命也大幅降低.
参考文献:
[１] 余荣华 袁鹏斌．铝合金钻杆的特点及应用前景[J]．石 油矿场机械 ２０１１ ４０(３):８１Ｇ８５．
[２] 吕拴录 骆发前 周杰 等．铝合金钻杆在塔里木油田 推广应用前景分析[J]．石油钻探技术 ２００９ ３７(３): ７４Ｇ７７．
[３] 舒志强 袁鹏斌 欧阳志英 等．铝合金钻杆拉伸性能 及应用特点[J]．石油矿场机械 ２０１５ ４４(１２):３７Ｇ４１．
[４] 舒志强 欧阳志英 袁鹏斌 等．高强度铝合金钻杆拉 伸试验方 法 [J]．理 化 检 验Ｇ物 理 分 册 ２０１４ ５０(２): １０６Ｇ１１０．
[５] 李鹤林 李平全 冯 耀 荣．石 油 钻 柱 失 效 分 析 与 预 防 [M]．北京:石油工业出版社 １９９９:７８Ｇ９０．
[６] 崔约贤 王长利．金属断口分析[M]．哈尔滨:哈尔滨工 业大学出版社 １９９８:７７Ｇ９１．
[７] 吴私 王旭 周吉学 等．铝合金疲劳性能的研究进展 [J]．金属世界 ２０１３(４):６４Ｇ６７．
[８] 佘玲娟 郑子樵 钟警 等．６１５６铝合金疲劳裂纹的扩 展速率[J]．机械工程材料 ２０１１ ３５(５):１９Ｇ２２．
[９] GB/T４３３７－２０１５ 金属材料 疲劳试验 旋转弯曲方 法[S]．
[１０] 钟群鹏 赵子华．断口学[M]．北京:高等教育出版社 ２００６:２４２Ｇ２６０．
[１１] 李棠 陶俊林 王清远 等．２０２４ＧT３和２５２４ＧT３４铝合 金疲劳裂纹的萌生机制[J]．材料研究学报 ２０１１ ２５ (１):６７Ｇ７２．
[１２] 韩剑 戴起勋 赵玉涛 等．７０７５ＧT６５１铝合金疲劳特性 研究[J]．航空材料学报 ２０１０ ３０(４):９２Ｇ９６．
[１３] 王艺淋 潘清林 韦莉莉 等．高强７０５０ＧT７４５１铝合金 厚板的 疲 劳 断 口 特 征 [J]．机 械 工 程 材 料 ２０１３ ３７ (６):２６Ｇ３０．
[１４] 蹇海根 姜峰 文康 等．不同应力下７B０４铝合金的疲 劳断口[J]．中 南 大 学 学 报 (自 然 科 学 版) ２０１０ ４１ (１):１３２Ｇ１３７．
[１５] 蹇海根 姜峰 郑秀媛 等．航空用高强度高韧铝合金 疲劳断 口 特 征 的 研 究 [J]．航 空 材 料 学 报 ２０１０ ３０ (４):９７Ｇ１０２．
[１６] 徐灏．疲劳 强 度 [M]．北 京:高 等 教 育 出 版 社 １９８８: ２５３Ｇ２８４．
<文章来源> 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 53卷 > 5期 (pp:309-313)>
