17-4PH推靠器螺钉断裂失效机理研究

卢华涛，田志宾，杨海涛，王海朋，杨中娜，徐志刚，杨 阳

(1.中海油田服务股份有限公司，河北 廊坊 065000； 2.中海油(天津)管道工程技术有限公司，天津 300452)

随着中国加快建设“海洋强国”，海洋特种钢材国产化替代成为重点攻关领域。17-4PH钢是一种马氏体沉淀硬化不锈钢，国标牌号为0Cr17Ni4Cu4Nb，在强度、硬度、耐腐蚀性能、韧性、抗氧化性、可焊接性、加工性能等方面具有优异的表现，因此被广泛应用于石油、海洋装备、化工、航空航天、核工业、造纸和能源等领域[1]。国内外研究者的研究重点聚焦在合金元素对于17-4PH材料性能的影响、热处理工艺、耐蚀性能等方面[2-8]。文章将针对某油田17-4PH主推靠臂螺钉断裂故障进行失效机理研究[9-12]。

在某油田进行测井作业，仪器出井后发现主推靠臂两颗M10固裂的部位如图1所示，图2、图3为断裂螺栓与完整螺栓的主视与俯视图。经与现场技术人员沟通，仪器装配过程中螺栓预紧力矩严格按照标准要求，未出现松动情况。文章通过断口的宏观断口形貌、微观断口形貌与能谱、金相组织、夹杂物、硬度、人为断口观察等试验，进行失效机理研究，以期对17-4PH材料冶金与测井仪器设计制造提供建议与经验支持。

图1 螺钉残余部分及螺钉安装孔Fig.1 Rest part of screw and screw mounting hole

图2 完整螺钉(左)与断裂螺钉(右)主视图Fig.2 Front view of complete screw (left) and broken screw (right)

图3 完整螺钉(左)与断裂螺钉(右)俯视图Fig.3 Top view of complete screw (left) and broken screw (right)

1 试验方法与设备

研究使用佳能6D数码单反、Zeiss EVO 扫描电子显微镜、牛津仪器能谱仪、SPECTRO LAB M11直读光谱仪、R547洛氏硬度计、Observer A1m金相倒置显微镜等仪器，切取断裂螺钉与完整螺钉，分别进行宏观、微观断口分析，化学成分测试，人为断口分析，硬度测试，金相与及杂物分析等试验对断裂机理进行研究。

2 试验结果与分析

2.1 宏观断口分析

图4为断口正视图，断裂螺钉未见明显变形。螺钉断面的外侧有一处物理损伤，基体材料在此处挤压形成不规则的凹坑，以凹坑处为起源存在一定数量不规则的呈放射状的棱线，据此推断，凹坑区域为开裂源区。瞬断区约占断口面积的50%，有明显的撕裂特征，侧视图如图5所示。瞬断区与开裂源区之间为裂纹扩展区。

图4 断口形貌(正视)Fig.4 Fracture morphology (front view)

图5 断口形貌(侧视)Fig.5 Fracture morphology (side view)

2.2 螺钉断口微观形貌分析

断口微观形貌显示，凹坑位于断裂截面螺纹牙根部，存在以此为原点的放射发散的棱线，如图6所示。在此视场内，由开裂源区沿圆周方向为开裂扩展区，结合宏观图像判断，断面较为平齐，无明显氧化、腐蚀现象。疲劳扩展区面积占断口总面积的50%以上。图7显示凹坑周围存在褶皱，为外力挤入造成基体材料挤压而形成。凹坑前沿是反复张合的磨痕。

图6 断裂源区和扩展区Fig.6 Fault source area and extension zone

图7 凹坑显微图像Fig.7 Micrograph of pit

图8显示在断口扩展区内观察到存在少量解理断裂特征的河流花样与解理台阶。多处可见宏观疲劳弧线和微观脆性疲劳条带特征如图9～图11所示。疲劳条带与裂纹源处的放射棱线方向近似正交。在源区的对侧是比较粗糙的瞬断区，主要特征是撕裂韧窝形貌，如图12所示。

图8 扩展区的解理特征Fig.8 Cleavage characteristics of the extension zone

图9 扩展区的宏观疲劳弧线Fig.9 Macro fatigue arc of expansion zone

图10 断裂扩展区的疲劳条带特征Fig.10 Fatigue strip characteristics of fracturepropagation zone

图11 断裂扩展区的宏观疲劳弧线Fig.11 Macro fatigue arc of fracture propagationzone

图12 瞬断区韧窝Fig.12 Dimple in instantaneous fracture zone

利用能谱仪测定源区的微区成分，除基体材料所含元素外，未发现腐蚀性元素与其他有害元素，如硫和氯等元素，可以确定螺钉失效无腐蚀因素参与，测试位置与测试结果分别如图13和图14所示。根据宏观和微观分析的结果来看，螺钉端口具有典型的疲劳断口特征，如疲劳弧线与疲劳条带，可以确定螺钉断裂是由交变载荷导致的疲劳断裂。

图13 能谱测试点位Fig.13 Energy spectrum test points

图14 能谱分析图Fig.14 Energy spectrum analysis

2.3 人为断口微观形貌分析

人为打断断口微观形貌如图15所示，断口存在解理特征花样与撕裂韧窝。

(a) 放大200倍

(b) 放大500倍

2.4 化学成分分析

完整螺钉与失效螺钉的化学成分见表1，对照标准GB/T 1220—2007《不锈钢棒》中对于17-4PH材料化学成分的要求，完整螺钉与失效螺钉均符合标准要求。

表1 断裂螺钉化学成分分析结果

表2 螺钉硬度测试数据(HRC)

2.5 显微维氏硬度检测

对于沉淀硬化+480 ℃时效处理的17-4PH，GB/T 1220—2007《不锈钢棒》中要求洛氏硬度≥40，螺钉硬度测试数据见表2。

2.6 金相组织与夹杂物分析

断裂螺钉与完整螺钉的金相组织如图16、图17所示，基体组织均为马氏体+铁素体，铁素体呈条带状。根据ASTM E45—2018a《钢中夹杂物含量的测定、标准试验方法》，在抛光态下观察到断裂螺钉基体存在样品D类超尺寸夹杂物，如图18所示，最大直径29.71 μm。

图16 断裂螺钉金相组织Fig.16 Metallographic structure of broken screw

图17 完整螺钉金相组织Fig.17 Metallographic structure of complete screw

图18 夹杂物

3 结 论

根据断口微观形貌与宏观分析结果，断口具有典型的解理花样、疲劳断裂特点且开裂扩展区约占断面50%左右，据此推断M10内沉六角螺钉失效模式为疲劳断裂，疲劳源位于螺钉螺纹根部凹坑缺陷处。凹坑的存在破坏螺钉截面的连续性，造成应力集中。另外，凹坑与六方孔底面截面近似位于同一水平面，使得此处应力集中效应在整个螺钉最为明显。在测井作业中，螺钉受远低于拉伸屈服应力的剪切应力与拉应力的作用，使得凹坑处产生塑性变形，在基体组织产生显微裂纹，在疲劳载荷的反复作用下，裂纹不断扩展直至断裂。材料的化学成分符合标准要求，硬度略低于标准值，在金相组织检测结果中发现，基体材料中存在带状的铁素体。铁素与马氏体相比，带状铁素体的存在破坏了基体组织的均匀性，铁素体具有良好的韧性与塑性，但强度和硬度低，为裂纹提供低能耗路径。除此之外，在设备使用过程中，应监控螺栓连接是否出现松动。