鋁合金鉆桿旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口特征

舒志強(qiáng), 袁鵬斌, 歐陽志英, 龔丹梅, 余榮華, 曹晶晶

(上海海隆石油管材研究所, 上海 200949)

試驗與研究

鋁合金鉆桿旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口特征

舒志強(qiáng), 袁鵬斌, 歐陽志英, 龔丹梅, 余榮華, 曹晶晶

(上海海隆石油管材研究所, 上海 200949)

首先對鋁合金鉆桿進(jìn)行了不同應(yīng)力幅值的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗，然后采用掃描電鏡觀察其斷口微觀形貌特征。結(jié)果表明：在170 MPa低應(yīng)力下，鋁合金鉆桿的疲勞斷口可分為疲勞源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)及瞬斷區(qū)3個區(qū)域，微裂紋在試樣次表面相界處萌生，裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)面積較大，占60%以上；在290 MPa高應(yīng)力下，鋁合金鉆桿的疲勞斷口上有多個疲勞源區(qū)，微裂紋于試樣表面或近表面位置形核，裂紋擴(kuò)展區(qū)面積僅占15%～30%。對于同一試樣，隨著裂紋的擴(kuò)展，斷口上疲勞滑移臺階變寬，疲勞條帶逐漸清晰；對于不同試樣，隨著應(yīng)力的提高，裂紋擴(kuò)展速率增大，疲勞條帶間距變寬，更易出現(xiàn)二次疲勞裂紋，斷口上裂紋擴(kuò)展區(qū)面積明顯減小，相應(yīng)的疲勞壽命也大幅降低。

鋁合金鉆桿；疲勞斷口；疲勞裂紋；萌生；擴(kuò)展

與鋼質(zhì)鉆桿相比，鋁合金鉆桿比強(qiáng)度高、彈性模量小，具有良好的抗彎曲性能，適合于曲率大的定向井和水平井，在未來油氣開采中具有廣闊的應(yīng)用前景[1-4]。石油鉆桿在鉆井作業(yè)中用于傳遞扭矩、輸送鉆井液，主要承受拉、壓、彎、扭、振動等載荷，服役環(huán)境惡劣，受力狀況復(fù)雜。隨著深井、超深井、大斜度井和大位移水平井等鉆井技術(shù)的迅速發(fā)展，鉆桿失效事件時有發(fā)生。據(jù)石油管材研究中心近年來的分析，疲勞失效約占鉆桿失效總數(shù)的80%，尤其是在旋轉(zhuǎn)鉆井過程中，鉆桿發(fā)生屈曲或遇到彎曲井段時會受到井眼軌跡的限制，鉆桿表面將承受交替變化的彎曲應(yīng)力，易發(fā)生旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞失效[5]。因此，在鋁合金鉆桿開發(fā)過程中，研究其旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞特性具有很高的工程應(yīng)用價值。

疲勞破壞過程中，疲勞斷口是循環(huán)應(yīng)力作用累積的最終結(jié)果，能反映疲勞裂紋萌生、擴(kuò)展、快速斷裂的全過程[6]。近年來，隨著鋁合金材料在工業(yè)裝備中應(yīng)用的增加，鋁合金材料疲勞特性的研究主要集中在鋁合金材料的軸向疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展、低周疲勞特性、疲勞裂紋擴(kuò)展速率等方面[7-8]，而針對鉆桿用鋁合金的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗的研究較少。對此，筆者使用掃描電鏡對鉆桿用鋁合金在不同應(yīng)力水平條件下的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口形貌進(jìn)行了微觀分析，并對其疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行了研究，旨在為鋁合金鉆桿的開發(fā)和推廣應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為φ147 mm×13 mm鋁合金鉆桿管體，抗拉強(qiáng)度為460 MPa，屈服強(qiáng)度為325 MPa。圖1為漏斗型光滑疲勞試樣的形狀尺寸示意圖，試驗參照GB/T 4337-2015《金屬材料 疲勞試驗 旋轉(zhuǎn)彎曲方法》[9]，在PQ-6型疲勞試驗機(jī)上進(jìn)行，應(yīng)力比R=-1，載荷波形為正弦波，循環(huán)加載頻率為50 Hz。試驗完成后，運用掃描電鏡對不同應(yīng)力水平下各試樣的疲勞斷口形貌進(jìn)行觀察。

圖1 疲勞試樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of the fatigue sample

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 低應(yīng)力下斷口形貌觀察

鋁合金鉆桿材料在低應(yīng)力下的疲勞斷口形貌見圖2(HL-1試樣)，加載應(yīng)力為170 MPa，疲勞壽命為9.07×106次，屬于低應(yīng)力長壽命。由圖2(a)可見，該試樣宏觀斷口表面較為平整，可清晰地劃分為疲勞源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)及瞬斷區(qū)3個部分，疲勞源區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū)面積比例達(dá)到60%以上，瞬斷區(qū)表面粗糙不規(guī)則。

對于疲勞源區(qū)，在裂紋形核中心前方，裂紋沿滑移面向前擴(kuò)展的過程中，不同高度起始的裂紋前沿線相遇，匯合形成從源區(qū)出發(fā)、沿裂紋擴(kuò)展方向的輻射狀塑性疲勞溝線，見圖2(b)，測量裂紋形核中心距試樣表面約為363 μm。圖2(c)為裂紋形核中心的微觀形貌，屬于裂紋擴(kuò)展初始Ⅰ階段，該階段裂紋擴(kuò)展非常緩慢，疲勞循環(huán)時間較長，在交替的彎曲拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的作用下，裂紋反復(fù)張開閉合，裂紋表面之間發(fā)生微觀磨擦和擠壓，形成了平坦、光滑、細(xì)密的形貌特征。仔細(xì)觀察裂紋形核區(qū)中心形貌，可以看到在外力作用下第二相粒子脫落留下的韌窩，即疲勞微裂紋起裂于相界處[10-11]。

圖2(d)，(e)(分別為距疲勞源約1.05 mm位置①和3.08 mm位置②)為疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)第Ⅱ階段的微觀形貌，為典型的疲勞滑移臺階和塑性疲勞條帶特征?？梢钥闯觯S著裂紋向前擴(kuò)展，距離疲勞源區(qū)越遠(yuǎn)，裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子越大，疲勞裂紋擴(kuò)展速率越大，微觀斷口上的疲勞滑移臺階變寬，疲勞條帶也越來越清晰。對圖2(e)局部放大，測量疲勞條帶間距約為0.362 μm。另外，在滑移臺階面上還可看到少許沿晶二次裂紋，如圖2(d)箭頭所指。

圖2(f)為疲勞裂紋擴(kuò)展第Ⅲ階段(位置③)裂紋擴(kuò)展區(qū)與瞬斷區(qū)交界處的微觀形貌，該階段裂紋擴(kuò)展速率提高了一到兩個數(shù)量級，閉合效應(yīng)減弱，擠壓摩擦減弱，斷口逐漸變得粗糙，形成疲勞弧線與韌窩共存的混合形貌[12]。

圖2(g)為瞬斷區(qū)的微觀形貌，當(dāng)裂紋擴(kuò)展至臨界長度時，試樣快速斷裂，斷口特征與該材料靜載拉伸形貌相似，由破碎的第二相顆粒，大量不同尺寸、形狀的孔洞和韌窩，以及分層撕裂棱組成，呈現(xiàn)出韌性斷裂特點。

2.2 高應(yīng)力下斷口形貌觀察

圖3為HL-2試樣的疲勞斷口形貌，其加載應(yīng)力幅值為290 MPa，疲勞壽命為1.7×105次，屬于高應(yīng)力短壽命。觀察試樣的斷口宏觀形貌，見圖3(a)，可見疲勞源區(qū)中心距試樣表面約124 μm，疲勞源區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū)所占面積比例約30%。圖3(b)，(c)為裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)(宏觀斷口中位置①)在不同放大倍數(shù)下的形貌，可以看出，在擴(kuò)展區(qū)表面分布著許多由斷口表面向內(nèi)部擴(kuò)展、且與疲勞條帶保持平行的二次裂紋，這些二次裂紋有的由疲勞條帶在反復(fù)作用力下向內(nèi)部擴(kuò)展形成，有的在第二相粒子脫落的孔洞處形成[13]，如圖3(c)中箭頭所指，測量疲勞條帶間距約為0.769 μm。

圖4為HL-3試樣的疲勞斷口形貌，其加載應(yīng)力幅值為290 MPa，疲勞壽命為1.0×105次，屬于高應(yīng)力短壽命。圖4(a)為試樣的斷口宏觀形貌，圖4(b)～(e)為疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的不同位置在10 000倍下的微觀形貌。由于該試樣施加的應(yīng)力幅值較高，斷口上形成兩個接近于對稱、相互不影響的疲勞源區(qū)，分別距試樣表面約224 μm和222 μm，由宏觀形貌可看出每個疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的面積約占整個斷口的30%，其中上疲勞源區(qū)的裂紋擴(kuò)展區(qū)面積比例較大。對比圖4(d)，(e)，同樣處于疲勞裂紋擴(kuò)展第Ⅲ階段(宏觀斷口的位置③，④)，前者疲勞條帶間距為1.135 μm，后者的為0.948 μm，說明上疲勞源裂紋擴(kuò)展較快，為主疲勞源區(qū)。對上疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的不同擴(kuò)展階段區(qū)域仔細(xì)觀察(宏觀斷口的位置①，②，③)，均可看到清晰的疲勞條帶，見圖4(b)～(d)，測量疲勞條帶間距分別為0.484，0.888，1.135 μm，即隨著裂紋向前擴(kuò)展，裂紋尺寸增加，裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子增大，使得每一個循環(huán)過程中裂紋擴(kuò)展延伸的距離增大，出現(xiàn)了疲勞條帶間距越來越寬的現(xiàn)象[14]。

圖2 在170 MPa低應(yīng)力下HL-1試樣的疲勞斷口形貌Fig.2 Fatigue fracture morphology of the sample HL-1 under the low stress of 170 MPa:(a) macro fracture; (b) crack initiation zone at low magnification; (c) crack initiation zone at high magnification; (d) position ① of the crack propagation zone; (e) position ② of the crack propagation zone;(f) position ③ of the crack propagation zone; (g) instantaneous fracture zone

圖3 在290 MPa高應(yīng)力下HL-2試樣的疲勞斷口形貌Fig.3 Fatigue fracture morphology of the sample HL-2 under the high stress of 290 MPa:(a) macro fracture; (b) position ① at low magnification; (c) position ① at high magnification

圖4 在290 MPa高應(yīng)力下HL-3試樣的疲勞斷口形貌Fig.4 Fatigue fracture morphology of the sample HL-3 under the high stress of 290 MPa:(a) macro fracture; (b) position ①; (c) position ②; (d) position ③; (e) position ④

圖5為HL-4試樣的疲勞斷口形貌，其加載應(yīng)力幅值為290 MPa，疲勞壽命為6.78×104次，屬于高應(yīng)力短壽命。觀察該試樣的宏觀斷口形貌，見圖5(a)，試樣斷口上有4個疲勞源(位置①～④)，裂紋起源于試樣表面，其中位置①為主疲勞源。主疲勞源的形貌在低倍下為結(jié)晶小平面，在高倍下呈現(xiàn)出類解理斷裂平面，見圖5(b)，即裂紋在試樣表面形成后沿晶界緩慢擴(kuò)展，當(dāng)擴(kuò)展至一定深度后轉(zhuǎn)為穿晶擴(kuò)展。高應(yīng)力集中晶界可被視為一種晶體缺陷，在交變載荷下容易出現(xiàn)位錯塞積，沿晶界形成微裂紋，繼而產(chǎn)生這種裂紋沿晶擴(kuò)展的現(xiàn)象[15]。

2.3 疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展

通過對鋁合金鉆桿疲勞斷口形貌的觀察，在各試樣疲勞斷口裂紋形核中心未發(fā)現(xiàn)明顯的夾雜物缺陷或易產(chǎn)生微裂紋的加工痕跡。在170 MPa較低應(yīng)力水平下，疲勞裂紋在距試樣表面363 μm(試樣HL-1)的次表面處形核，第二相粒子從基體界面脫落形成裂紋源。在290 MPa較高應(yīng)力水平下，由于加載應(yīng)力水平越高，試樣組織變形越大，受到的疲勞損傷程度也就越嚴(yán)重，疲勞裂紋可能萌生于試樣表面任何位置。因此，不同試樣疲勞源區(qū)的形貌差異較大，在斷口上出現(xiàn)一個或者多個疲勞源區(qū)，且這些疲勞源處于試樣表面或更靠近于試樣表面位置，疲勞源形核方式也多種多樣。其中HL-2和HL-3試樣的微裂紋在次表面相界處形核(分別距試樣表面約124 μm和224 μm)，HL-4試樣的微裂紋有在應(yīng)力集中的晶界上形成沿晶裂紋，也有從表面起始的短線源。即加載應(yīng)力越高，鋁合金組織相界或晶界、甚至試樣表面應(yīng)力集中程度也越高，越易形成疲勞微裂紋，且裂紋源越接近于試樣表面。

在旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗中，疲勞裂紋形成之后，裂尖處于張開型平面應(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[16]，見下式：

(1)

式中：Y為裂紋形狀系數(shù)；σ為與裂紋面垂直的拉應(yīng)力；a為裂紋長度。

當(dāng)加載應(yīng)力較小時，疲勞裂紋形成后裂紋尖端的應(yīng)力較小，裂紋擴(kuò)展緩慢，對應(yīng)的臨界裂紋尺寸較大，只有當(dāng)裂紋經(jīng)過較長的穩(wěn)定擴(kuò)展達(dá)到臨界尺寸時，裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子K達(dá)到斷裂強(qiáng)度因子KI時才會發(fā)生失穩(wěn)瞬斷。反之，當(dāng)加載應(yīng)力水平增大時，裂紋尖端應(yīng)力較大，臨界裂紋尺寸相應(yīng)減小，裂紋擴(kuò)展速率加大，經(jīng)過短暫的擴(kuò)展就會發(fā)生斷裂。因此，疲勞試驗中加載170 MPa低應(yīng)力水平時，裂紋臨界尺寸較大，裂紋擴(kuò)展區(qū)平坦細(xì)密，擴(kuò)展區(qū)面積達(dá)60%以上，疲勞循環(huán)次數(shù)較多。而在290 MPa高應(yīng)力下，裂紋擴(kuò)展區(qū)面積比例明顯減小，只有15%～30%，相應(yīng)的疲勞壽命也非常短。另外，對于同一試樣，試驗加載應(yīng)力恒定，隨著疲勞裂紋向前擴(kuò)展，裂紋尺寸加長，試樣的承載面積減小，裂尖張開應(yīng)力增大，進(jìn)一步加速了裂紋的擴(kuò)展，在疲勞斷口形貌上的表現(xiàn)就是疲勞滑移臺階變寬，二次裂紋明顯增多，疲勞條帶間距加大且越來越清晰。比如HL-3試樣，距離疲勞源區(qū)越遠(yuǎn)，疲勞條帶間距越大，分別為0.484，0.888，1.135 μm。說明裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子越大，裂紋擴(kuò)展速率越高，每個加載循環(huán)過程中裂紋的擴(kuò)展延伸距離越大，越容易發(fā)生失穩(wěn)瞬斷。

3 結(jié)論

(1) 在170 MPa低應(yīng)力水平下，鋁合金鉆桿的疲勞斷口較為平整，可清晰地劃分為疲勞源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)及瞬斷區(qū)3個部分，疲勞微裂紋起源于試樣次表面，由第二相粒子從基體界面脫落形核，裂紋擴(kuò)展區(qū)面積較大約占60%以上。在290 MPa高應(yīng)力水平下，鋁合金鉆桿的疲勞斷口形貌差異較大，宏觀斷口上出現(xiàn)一個或多個疲勞源，這些疲勞裂紋于試樣表面或更靠近表面位置萌生，擴(kuò)展區(qū)面積比例明顯減小，只有15%～30%。

(2) 鋁合金鉆桿疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的宏觀形貌為從疲勞源出發(fā)的輻射狀疲勞溝線，在高倍下可觀察到疲勞滑移臺階、疲勞條帶、二次裂紋等典型的疲勞破壞特征。瞬斷區(qū)與其靜載拉伸斷裂時的形貌相似，為韌性斷裂。

(3) 鋁合金鉆桿疲勞裂紋的擴(kuò)展過程中，對于同一試樣，隨著裂紋向前擴(kuò)展，裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子增大，疲勞裂紋擴(kuò)展速率增大，斷口形貌呈現(xiàn)出疲勞滑移臺階逐漸變寬，疲勞條帶更清晰、條帶間距也逐漸變大；對于不同試樣，隨著應(yīng)力水平的提高，裂紋擴(kuò)展速率增大，斷口上裂紋擴(kuò)展區(qū)所占面積比例明顯減小，疲勞條帶間距逐漸變大，更易出現(xiàn)二次疲勞裂紋，相應(yīng)的疲勞壽命也大幅降低。

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Fatigue Fracture Characteristic of Aluminum Alloy Drill Pipes after Rotating Bending

SHU Zhiqiang, YUAN Pengbin, OUYANG Zhiying, GONG Danmei, YU Ronghua, CAO Jingjing

(Shanghai Hailong Oil Tubular Goods Research Institute, Shanghai 200949, China)

Rotary bending fatigue tests were conducted on aluminum alloy drill pipes under different stress amplitude firstly, and then the micro fracture characteristic of the fatigue samples under high and low stress was observed by scanning electron microscope. The results show that: under the low stress of 170 MPa, the fracture surface was mainly divided into three zones as the crack initiation zone, steady crack propagation zone and instantaneous fracture zone; the fatigue cracks initiated on phase boundary of subsurface, and the crack stable propagation zone was large and the area was more than 60%; while under the high stress of 290 MPa, multi crack sources appeared on fracture surface, and the micro cracks formed on surface or subsurface, and the crack propagation zone was only 15%～30%. For the same sample, with the propagation of fatigue cracks, the fatigue glide steps on the fracture surface broadened and the fatigue strips got clear. For different samples, with increase of the stress, crack propagation rate increased and the fatigue glide strip space broadened, and the secondary fatigue cracks were easier to appear. The area of crack propagation zone decreased evidently and the corresponding fatigue life dramatically reduced.

aluminum alloy drill pipe; fatigue fracture; fatigue crack; initiation; propagation

10.11973/lhjy-wl201705002

2016-07-07

上海市寶山區(qū)科技創(chuàng)新專項資金資助項目(13-B-3)

舒志強(qiáng)(1986-)，男，工程師，學(xué)士，主要從事新型石油鉆具開發(fā)及金屬材料力學(xué)性能試驗工作，szq861017@163.com

TG115.5+7; TG116.3

A

1001-4012(2017)05-0309-05