钻杆螺纹断裂失效分析

钻杆螺纹断裂失效分析

鲍洪峰刘道喜

（无锡双马钻探工具有限公司技术研发中心 江苏 无锡 214000）

江苏钻通生产的X320型钻机中钻杆在使用一段时间，在钻杆螺纹处断裂。为查明原因进行失效分析。

钻杆材料为42MnMo7，化学成分由厂家提供，有待进行复验。

钻杆规格：¢73*8*3000mm。

技术要求：钻杆整体进行调制处理，硬度30~35HRC。抗拉强度：≧965Mpa，

屈服强度：≧865Mpa

钻杆结构及断裂位置如图1所示。

（图1）钻杆结构及断裂位置示意图

1、宏观分析

送检式样的宏观形貌如图2所示。

（图2）试样宏观形貌

从图2中看到断口在螺纹的第三级上，断口基本齐平与轴向垂直，无明显塑性形变痕迹，断口形貌如图3所示。

从图3中看到，断口的外圈有一个平台区，平台上可看到明显的贝纹线，这是疲劳裂纹扩展留下的痕迹，也是裂纹扩展时停歇后留下的痕迹，所以根据典型的贝纹线形貌可以确定，断口的断裂类型为疲劳断裂。断裂过程为：在螺纹根部的一周都有疲劳裂纹源，一周的裂纹同时向轴心扩展，根据受力的大小反应出扩展的快慢，从图3看到，右侧的受力要偏大于左侧，因平面区域大，且疲劳扩展的贝纹线清晰可见。当剩余直径的截面积承受不了工作载荷后，即发生最后的瞬时断裂，因为受到的是扭力，所以最后断裂区与轴向呈45度，并且断口粗糙。各区的放大形貌如图4所示。

（图3）断口宏观形貌

从图3中可以看出公扣的牙底部份的储油空

（a）疲劳扩展区右侧

（b）疲劳扩展区左侧

（图4）断口局部放大形貌

2、显微分析

在图4a中红框位置取样，沿纵截面按照常规制样方法制样，进行显微组织分析。式样的纵截面上即可看到其他螺纹根部也有宏观裂纹产生，如图5所示。宏观裂纹长度大约为2~3mm。从截取的试样上看到，断口处的螺纹顶部已被挤压磨损掉了，如图6所示。

（图5）螺纹根部宏观裂纹形貌

（图6）螺纹顶部磨损形貌

观察试样心部及表层显微组织均为回火索氏体组织，组织分布均匀，如图7所示。

心部组织形貌

表层组织形貌

（图7）试样显微组织形貌

（图8）微裂纹形貌

从图8中看到，微裂纹深度大致相同，深度在100微米左右，都是浅层裂纹，较深的裂纹是受力后扩展后造成的。

3、硬度试验

对试样进行洛氏硬度测试，测试结果见表1.

表1 洛氏硬度测试结果HRC

根据以上硬度测试结果，说明心部硬度符合技术要求，螺纹顶部表面的硬度有所升高说明螺纹处可能进行了表面处理。

4、综合分析

根据以上测试结果，可以得出零件的断裂类型为疲劳断裂，疲劳裂纹源产生在螺纹根部，显微分析证实在螺纹上有多处微裂纹，这些裂纹都可以形成疲劳源，或断裂的起点，只是根据微裂纹产生的位置是否受力大小而变化，如微裂纹处不受力，裂纹不会扩展；如微裂纹受力，当受力比较小时，就会产生疲劳裂纹扩展，直到剩余截面不能承受工作载荷时才会发生最后的一次性断裂。如微裂纹处受力过大，超出零件的承受工作应力，微裂纹就会快速扩展发生一次性的过载断裂。显而易见，本次零件的断裂为疲劳断裂，由此说明零件的工作应力不是很大的，只是当疲劳裂纹扩展一定截面后，剩余截面不能承受工作载荷时才发生了最后的断裂。由此微裂纹的产生原因是本次疲劳断裂的主要因素，从图8的微裂纹形貌看应该为应力集中区形成的裂纹扩展，所有在螺纹根部的裂纹在受力后都有所扩展，因在螺纹侧面上的裂纹不受力，所以都没有扩展。

结论

（1）零件的断裂类型为疲劳断裂。

（2）公口螺纹根部往往是应力集中区，特别是根部螺纹小径处应力不易释放最终导至形成裂纹。

使用具有较好抗疲劳强度的材质；同时在螺纹根部设计应力减轻槽才是解决问题的关键。