17-4PH推靠器螺釘斷裂失效機理研究

盧華濤，田志賓，楊海濤，王海朋，楊中娜，徐志剛，楊 陽

(1.中海油田服務股份有限公司，河北 廊坊 065000； 2.中海油(天津)管道工程技術有限公司，天津 300452)

隨著中國加快建設“海洋強國”，海洋特種鋼材國產化替代成為重點攻關領域。17-4PH鋼是一種馬氏體沉淀硬化不銹鋼，國標牌號為0Cr17Ni4Cu4Nb，在強度、硬度、耐腐蝕性能、韌性、抗氧化性、可焊接性、加工性能等方面具有優異的表現，因此被廣泛應用于石油、海洋裝備、化工、航空航天、核工業、造紙和能源等領域[1]。國內外研究者的研究重點聚焦在合金元素對于17-4PH材料性能的影響、熱處理工藝、耐蝕性能等方面[2-8]。文章將針對某油田17-4PH主推靠臂螺釘斷裂故障進行失效機理研究[9-12]。

在某油田進行測井作業，儀器出井后發現主推靠臂兩顆M10固裂的部位如圖1所示，圖2、圖3為斷裂螺栓與完整螺栓的主視與俯視圖。經與現場技術人員溝通，儀器裝配過程中螺栓預緊力矩嚴格按照標準要求，未出現松動情況。文章通過斷口的宏觀斷口形貌、微觀斷口形貌與能譜、金相組織、夾雜物、硬度、人為斷口觀察等試驗，進行失效機理研究，以期對17-4PH材料冶金與測井儀器設計制造提供建議與經驗支持。

圖1 螺釘殘余部分及螺釘安裝孔Fig.1 Rest part of screw and screw mounting hole

圖2 完整螺釘(左)與斷裂螺釘(右)主視圖Fig.2 Front view of complete screw (left) and broken screw (right)

圖3 完整螺釘(左)與斷裂螺釘(右)俯視圖Fig.3 Top view of complete screw (left) and broken screw (right)

1 試驗方法與設備

研究使用佳能6D數碼單反、Zeiss EVO 掃描電子顯微鏡、牛津儀器能譜儀、SPECTRO LAB M11直讀光譜儀、R547洛氏硬度計、Observer A1m金相倒置顯微鏡等儀器，切取斷裂螺釘與完整螺釘，分別進行宏觀、微觀斷口分析，化學成分測試，人為斷口分析，硬度測試，金相與及雜物分析等試驗對斷裂機理進行研究。

2 試驗結果與分析

2.1 宏觀斷口分析

圖4為斷口正視圖，斷裂螺釘未見明顯變形。螺釘斷面的外側有一處物理損傷，基體材料在此處擠壓形成不規則的凹坑，以凹坑處為起源存在一定數量不規則的呈放射狀的棱線，據此推斷，凹坑區域為開裂源區。瞬斷區約占斷口面積的50%，有明顯的撕裂特征，側視圖如圖5所示。瞬斷區與開裂源區之間為裂紋擴展區。

圖4 斷口形貌(正視)Fig.4 Fracture morphology (front view)

圖5 斷口形貌(側視)Fig.5 Fracture morphology (side view)

2.2 螺釘斷口微觀形貌分析

斷口微觀形貌顯示，凹坑位于斷裂截面螺紋牙根部，存在以此為原點的放射發散的棱線，如圖6所示。在此視場內，由開裂源區沿圓周方向為開裂擴展區，結合宏觀圖像判斷，斷面較為平齊，無明顯氧化、腐蝕現象。疲勞擴展區面積占斷口總面積的50%以上。圖7顯示凹坑周圍存在褶皺，為外力擠入造成基體材料擠壓而形成。凹坑前沿是反復張合的磨痕。

圖6 斷裂源區和擴展區Fig.6 Fault source area and extension zone

圖7 凹坑顯微圖像Fig.7 Micrograph of pit

圖8顯示在斷口擴展區內觀察到存在少量解理斷裂特征的河流花樣與解理臺階。多處可見宏觀疲勞弧線和微觀脆性疲勞條帶特征如圖9～圖11所示。疲勞條帶與裂紋源處的放射棱線方向近似正交。在源區的對側是比較粗糙的瞬斷區，主要特征是撕裂韌窩形貌，如圖12所示。

圖8 擴展區的解理特征Fig.8 Cleavage characteristics of the extension zone

圖9 擴展區的宏觀疲勞弧線Fig.9 Macro fatigue arc of expansion zone

圖10 斷裂擴展區的疲勞條帶特征Fig.10 Fatigue strip characteristics of fracturepropagation zone

圖11 斷裂擴展區的宏觀疲勞弧線Fig.11 Macro fatigue arc of fracture propagationzone

圖12 瞬斷區韌窩Fig.12 Dimple in instantaneous fracture zone

利用能譜儀測定源區的微區成分，除基體材料所含元素外，未發現腐蝕性元素與其他有害元素，如硫和氯等元素，可以確定螺釘失效無腐蝕因素參與，測試位置與測試結果分別如圖13和圖14所示。根據宏觀和微觀分析的結果來看，螺釘端口具有典型的疲勞斷口特征，如疲勞弧線與疲勞條帶，可以確定螺釘斷裂是由交變載荷導致的疲勞斷裂。

圖13 能譜測試點位Fig.13 Energy spectrum test points

圖14 能譜分析圖Fig.14 Energy spectrum analysis

2.3 人為斷口微觀形貌分析

人為打斷斷口微觀形貌如圖15所示，斷口存在解理特征花樣與撕裂韌窩。

(a) 放大200倍

(b) 放大500倍

2.4 化學成分分析

完整螺釘與失效螺釘的化學成分見表1，對照標準GB/T 1220—2007《不銹鋼棒》中對于17-4PH材料化學成分的要求，完整螺釘與失效螺釘均符合標準要求。

表1 斷裂螺釘化學成分分析結果

表2 螺釘硬度測試數據(HRC)

2.5 顯微維氏硬度檢測

對于沉淀硬化+480 ℃時效處理的17-4PH，GB/T 1220—2007《不銹鋼棒》中要求洛氏硬度≥40，螺釘硬度測試數據見表2。

2.6 金相組織與夾雜物分析

斷裂螺釘與完整螺釘的金相組織如圖16、圖17所示，基體組織均為馬氏體+鐵素體，鐵素體呈條帶狀。根據ASTM E45—2018a《鋼中夾雜物含量的測定、標準試驗方法》，在拋光態下觀察到斷裂螺釘基體存在樣品D類超尺寸夾雜物，如圖18所示，最大直徑29.71 μm。

圖16 斷裂螺釘金相組織Fig.16 Metallographic structure of broken screw

圖17 完整螺釘金相組織Fig.17 Metallographic structure of complete screw

圖18 夾雜物

3 結 論

根據斷口微觀形貌與宏觀分析結果，斷口具有典型的解理花樣、疲勞斷裂特點且開裂擴展區約占斷面50%左右，據此推斷M10內沉六角螺釘失效模式為疲勞斷裂，疲勞源位于螺釘螺紋根部凹坑缺陷處。凹坑的存在破壞螺釘截面的連續性，造成應力集中。另外，凹坑與六方孔底面截面近似位于同一水平面，使得此處應力集中效應在整個螺釘最為明顯。在測井作業中，螺釘受遠低于拉伸屈服應力的剪切應力與拉應力的作用，使得凹坑處產生塑性變形，在基體組織產生顯微裂紋，在疲勞載荷的反復作用下，裂紋不斷擴展直至斷裂。材料的化學成分符合標準要求，硬度略低于標準值，在金相組織檢測結果中發現，基體材料中存在帶狀的鐵素體。鐵素與馬氏體相比，帶狀鐵素體的存在破壞了基體組織的均勻性，鐵素體具有良好的韌性與塑性，但強度和硬度低，為裂紋提供低能耗路徑。除此之外，在設備使用過程中，應監控螺栓連接是否出現松動。