应力释放槽对钻杆接头力学性能的影响
袁鹏斌;陈锋;王秀梅
【摘要】钻杆接头是钻柱最薄弱的环节,在钻进过程中极易失效.采用有限元分析方法对钻杆接头的应力特征进行了分析,结果表明,密封面处接触压力分布不均和啮合大端第一螺纹牙处应力集中是影响钻杆接头力学性能的主要因素.在公扣、母扣台肩转角处开应力释放槽可以有效改善钻杆接头的应力分布,降低应力峰值,使von Mises应力和接触压力分布更加均匀,有利于提高钻杆接头的承载能力和密封性能.此外,仅在公扣台肩转角处或母扣台肩转角处开应力释放槽也可有效改善接头的应力分布,但效果与公扣、母扣台肩转角处均开应力释放槽相比稍差.
【期刊名称】《石油钻探技术》
【年(卷),期】2010(038)003
【总页数】4页(P32-35)
【关键词】钻杆接头;应力分析;应力释放槽;有限元法
【作者】袁鹏斌;陈锋;王秀梅
【作者单位】上海海隆石油管材研究所,上海,200949;上海市应用数学和力学研究所(上海大学),上海,200072;上海市应用数学和力学研究所(上海大学),上海,200072【正文语种】中文
【中图分类】TE921+.2
钻杆是用于传递动力、输送钻井液的主要工具，钻杆失效事故往往给油田带来巨大
的经济损失。统计分析表明，65%的钻柱失效事故发生在钻杆接头部位[1]。钻杆
接头在使用中的应力分布状态直接决定了钻杆的连接强度和密封性能等。因此，对钻杆接头的应力分布规律进行分析，是提高钻杆使用性能的关键。
1 钻杆接头的弹塑性有限元模型
钻杆由接头处的螺纹连接，公扣与母扣的接触面是一个空间螺旋曲面，而且钻杆接头受力较复杂，除了传递转盘的扭矩外，还受到拉力(主要由钻杆自重引起)、内压力(主要由钻井液引起)等载荷的作用。钻杆接头的受力分析涉及材料非线性、几何非线性和复杂接触摩擦状况等非线性问题[2]，建立完整而精确的数学模型，求解
析解是非常困难的。因此，笔者采用有限元法分析钻杆接头的受力情况。
1.1 有限元模型
笔者以φ 127.0 mm双台肩钻杆接头为计算模型(见图1)，主要参数为：加厚处外径168.28 mm；管体外径130.18 mm；内径95.25 mm；螺纹锥度1∶12。建
立模型时，由于钻杆接头螺纹的螺旋升角很小，可以忽略其影响，将其视为轴对称结构。另外，接头受到的主要载荷、扭矩、拉力、内压等都具有轴对称特征，故可将问题当成轴对称问题处理。
图1 钻杆接头示意
采用有限元分析软件Ansys进行建模和分析，选用八节点四边形实体单元，螺纹
啮合面用接触单元划分，接触类型为面面接触。
螺纹连接属于应力集中较高的零件，在划分网格时要注意单元的疏密程度。在应力梯度变化较大的部位(螺纹牙处)网格应该足够密，而在应力梯度变化较小的部位(管体)，为减小计算量，网格应划分得相对稀疏。模型的有限元单元划分如图2所示。
图2 有限元网格划分
力学模型如图3所示(y轴沿钻杆轴线向上方向)，其中公扣端面施加轴向位移约束，
母扣端面施加150 MPa的轴向拉伸载荷(相当于927.4 kN的轴向拉伸载荷)，接
头外表面施加径向位移约束，接头内表面施加50 MPa的压力。
图3 力学模型
1.2 材料的力学参数
钻杆接头所用材料为37CrMnMoA，系各向同性弹塑性材料，材料的应力-应变曲线采用理想弹塑性模型，取弹性模量为2.06×105 MPa，屈服强度为827.4 MPa，泊松比为0.29，摩擦因数为0.02。
2 钻杆接头的应力分析
2.1 无应力释放槽钻杆接头的应力分析
根据流体力学，流体通过间隙时产生的局部阻力取决于间隙的截面积和泄露路径的长度。因此，密封设计时应尽量满足以下两个条件[3]：1)接触压力尽可能大(接触
压力应该小于材料的屈服强度)，以使泄露路径的面积较小；2)接触面积尽可能大，以使泄露路径的长度较长。
根据材料力学，材料开始发生塑性变形时应力必须满足一定的条件，即满足一定的屈服准则。在有限元分析中，钻杆钢材弹塑性屈服的判断依据为von Mises屈服
准则，即材料力学中的第四强度理论[4]，其等效应力σi为：
(1)
式中，σ1、σ2、σ3为主应力。
当等效应力σi达到材料的屈服强度时，说明材料在该工况下进入塑性状态。结构
设计时，应该尽可能使应力分布均匀，以降低结构的最大von Mises应力，最大
限度地发挥材料的性能。
钻杆接头在轴向拉伸载荷和内压的作用下，产生的接触压力如图4所示，von Mises应力如图5所示。
图4 HL30无应力释放槽时的接触压力
图5 HL30无应力释放槽时的von Mises应力
从图4可以看出，密封面上接触压力分布极不均匀，应力主要集中在公扣台肩转角处，密封面的大部分区域接触压力几乎为零，这样的应力分布不利于钻杆接头的密封。此外，啮合大端第一个螺纹牙处接触压力较大，在极端载荷作用下很容易超过材料的屈服强度，影响钻杆接头的正常使用。
从图5可以看出，啮合大端第一个螺纹牙处应力集中严重，啮合小端、台肩转角等处也发生了一定程度的应力集中，而管体部分的应力却较小，这与高学仕等[5]的理论分析基本吻合。这种载荷分布不合理，应力集中处的材料过早地进入屈服状态，而应力较小处的材料性能得不到充分发挥。
2.2 带应力释放槽钻杆接头的应力分析
从以上分析可知，钻杆接头受力时存在的主要问题是应力分布不均匀。为了缓解应力集中，增大密封面处的接触面积，尝试在台肩转角处开一个应力释放槽。
为对应力释放槽的作用有一个明确的认识，笔者对以下3种情况的钻杆接头应力状态进行了分析：1)公扣台肩转角处、母扣台肩转角处均开应力释放槽；2)公扣台肩转角处开应力释放槽、母扣台肩转角处不开应力释放槽；3)母扣台肩转角处开应力释放槽、公扣台肩转角处不开应力释放槽。
对上述3种情况下的钻杆接头进行有限元模拟，将3种情况下钻杆接头应力特征与无应力释放槽时的钻杆接头应力特征进行了对比，结果见表1。
表1 各种情况下最大接触压力和最大von Mises应力对比应力释放槽位置最大接触压力/MPa最大vonMises应力/MPa无应力释放槽308.776811.277公扣、母扣台肩转角195.772690.493公扣台肩转角225.470712.844母扣台肩转角228.171713.481
从表1可以看出，在台肩转角处开应力释放槽可以有效改善接头的应力状态：其
中在公扣、母扣台肩转角处均开应力释放槽效果最明显，最大von Mises应力可降低14.9%，最大接触压力可降低36.7%；仅在公扣台肩转角处开应力释放槽与仅在母扣台肩转角处开应力释放槽其效果相似，效果比在公扣、母扣台肩转角处均开应力释放槽稍差。
为了进一步了解在台肩转角处开应力释放槽对接头接触压力分布的影响，对3种情况下的接触压力分布进行了分析，结果见图6～8。
图6 公扣、母扣台肩转角处均开应力释放槽时的接触压力
图7 仅在公扣台肩转角处开应力释放槽时的接触压力
图8 仅在母扣台肩转角处开应力释放槽时的接触压力
从图6可以看出：在公扣、母扣台肩转角处开应力释放槽可以使接头的接触压力分布均匀，密封面上的接触压力不再集中在公扣台肩转角处，而是比较均匀地分布在整个密封面上，大大增大了接触面积，有利于接头密封；啮合大端第一螺纹牙处的接触压力大大降低，从原来的308.776 MPa降至195.772 MPa，降幅达36.6%，这样的压力分布状态可以有效提高接头的抗极端载荷能力。
从图7、8可以看出，仅在公扣或母扣台肩转角处开应力释放槽都可有效改善接头的压力分布，但与公扣、母扣台肩转角处均开应力释放槽时的接触压力分布相比，仅在公扣或母扣台肩转角处开应力释槽时的接触压力分布稍显不均匀，但总体趋势相差不大。
3 结论
1) 钻杆接头在拉力、内压作用下密封面处的接触压力分布极不均匀，主要集中在台肩转角处，不利于接头密封。此外，啮合大端第一个螺纹牙处接触压力过大，降低了接头的抗极端载荷能力。
2) 钻杆接头在拉力、内压作用下von Mises应力分布极不均匀，啮合大端第一个螺纹牙处应力集中严重，不利于材料性能的充分发挥。
3) 在台肩转角处开应力释放槽不但可以有效缓解接头的应力集中，使von Mises
应力的分布更加均匀，提高接头的承载能力；还可以使密封面处的接触压力分布更加均匀，增大接触面积，提高接头的密封性能。
4) 仅在公扣或母扣台肩转角处开应力释放槽的钻杆接头力学性能相似，效果比公
扣和母扣台肩转角处均开应力释放槽效果稍差。
参考文献
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探技术，1994，22(1)：55-56，60.
力学性能指标：拉伸强度、断裂伸长率、硬度、弹性模量、冲击强度。 影响力学性能的因素：温度、拉伸速度、环境介质、压力等。 弹性变形特点:可逆变形虎克定律弹性变形量很小，一般不超过0.5%-1% 材料的弹性模量主要取决于结合键的本性和原子间的结合力，而材料的成分和组织对它的影响不大共价键的弹性模量最高. 弹性比功：又称弹性比能，表示金属材料吸收弹性变形功的能力。一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。 滞弹性：在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象。 循环韧性的意义:循环韧性越高，机件依靠自身的消振能力越好，所以高循环韧性对于降机器的噪声，抑制高速机械的振动，防止共振导致疲劳断裂意义重大 金属材料常见的塑性变形方式滑移和孪生 金属应变硬化机理与高分子应变硬化机理的区别:金属机理：位错的增殖与交互作用导致的阻碍高分子机理：发生应变诱导结晶、分子链接近最大伸长 韧性断裂：金属断裂前产生明显的宏观塑性变形的断裂，有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断消耗能量。脆性断裂：突然发生断裂，基本上不发生塑性变形，没有明显征兆，因此危害性很大。 α值越大，表示应力状态越“软”，金属越易于产生塑性变形和韧性断裂。α值越小，表示应力状态越“硬”，金属越不易于产生塑性变形而易于产生脆性断裂。拉伸时塑性很好的材料，在压缩时只发生压缩变形而不断裂。硬度：布氏、洛氏、维氏 缺口效应：缺口根部产生应力集中，同时缺口截面上的应力分布发生改变。 断裂韧性：由于裂纹破坏了材料的均匀连续性，改变了材料内部应力状态和应力分布，所以机件的结构性能就不再相似于无裂纹的试样性能，传统的力学强度理论就不再适用。 断裂力学就是在这种背景下发展起来的一门新型断裂强度科学，是在承认机件存在宏观裂纹的前提下，建立了裂纹扩展的各种新的力学参量，并提出了含裂纹体的断裂判据和材料断裂韧度。 分析裂纹体断裂问题的方法：应力应变分析方法：考虑裂纹尖端附近的应力场强度，得到相应的断裂K判据。(2) 能量分析方法：考虑裂纹扩展时系统能量的变化，建立能量转化平衡方程，得到相应的断裂G判 KI和KIC的区别：应力场强度因子KI增大到临界值KIC时，材料发生断裂，这个临界值KIC称为断裂韧度。KI是力学参量，与载荷、试样尺寸有关，而和材料本身无关。KIC是力学性能指标，只与材料组织结构、成分有关，与试样尺寸和载荷无关。根据KI和KIC的相对大小，可以建立裂纹失稳扩展脆断的断裂K判据，由于平面应变断裂最危险，通常以KIC为标准建立： 应力腐蚀现象：在应力和特定的化学介质共同作用下，经过一段时间后所产生的低应力脆性断裂现象。 应力腐蚀产生的条件：(1)必须有应力，特别是拉应力的作用, 远低于材料的屈服强度，是脆性断裂；(2)对一定成分的合金，只有在特定介质中才发生应力腐蚀断裂；(3)应力腐蚀断裂速度约为10-8-10-6 m／s数量级的范围内，远大于没有应力时的腐蚀速度，又远小于单纯力学因素引起的断裂速度。 机理：当应力腐蚀敏感的材料置于腐蚀介质中，首先在金属的表面形成一层保护膜，它阻止了腐蚀进行，即所谓“钝化”。由于拉应力和保护膜增厚带来的附加应力使局部地区的保护膜破裂，破裂处金属直接暴露在介质中，成为微电池的阳极，产生阳极溶解。阳极小阴极大，所以溶解速度很快，腐蚀到一定程度又形成新的保护膜，但在拉应力的作用下又可能重新破坏，发生新的阳极溶解。这种保护膜反复形成反复破裂的过程，就会使某些局部地区腐蚀加
应力释放槽对钻杆接头力学性能的影响 袁鹏斌;陈锋;王秀梅 【摘要】钻杆接头是钻柱最薄弱的环节,在钻进过程中极易失效.采用有限元分析方法对钻杆接头的应力特征进行了分析,结果表明,密封面处接触压力分布不均和啮合大端第一螺纹牙处应力集中是影响钻杆接头力学性能的主要因素.在公扣、母扣台肩转角处开应力释放槽可以有效改善钻杆接头的应力分布,降低应力峰值,使von Mises应力和接触压力分布更加均匀,有利于提高钻杆接头的承载能力和密封性能.此外,仅在公扣台肩转角处或母扣台肩转角处开应力释放槽也可有效改善接头的应力分布,但效果与公扣、母扣台肩转角处均开应力释放槽相比稍差. 【期刊名称】《石油钻探技术》 【年(卷),期】2010(038)003 【总页数】4页(P32-35) 【关键词】钻杆接头;应力分析;应力释放槽;有限元法 【作者】袁鹏斌;陈锋;王秀梅 【作者单位】上海海隆石油管材研究所,上海,200949;上海市应用数学和力学研究所(上海大学),上海,200072;上海市应用数学和力学研究所(上海大学),上海,200072【正文语种】中文 【中图分类】TE921+.2 钻杆是用于传递动力、输送钻井液的主要工具，钻杆失效事故往往给油田带来巨大
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中文翻译 半固态挤压铸造工艺参数对AlSi9Mg连杆的显微组织以及力学性能的影响 摘要:通过研究施加的压力，浇注和模具的温度的改变过程对连杆的半固态挤压铸造制备（SSSC）过程中的显微组织和力学性能的影响。结果表明，非树枝状的初生α-Al颗粒均匀分布在整个连杆。随着施加的挤压力的增加，铝颗粒尺寸减小而增大形状因子，从而增加连杆的力学性能。当浇注温度和模具的温度增加时，原铝颗粒的大小和形状因子增加。然而，如果模具温度高于300℃，形状系数突然下降。在浇注温度575℃得到连杆SSSC过程中最好的显微组织和力学性能，模具约250℃温度，和100兆帕的压力。 1.简介 半固态金属加工（SSM）是一个将传统的热锻造和铸造优势结合的技术。它可以在近净形成型过程中形成的具有高质量的工件，这种技术已经被视为二十一世纪生产中最有前途的技术之一。在SSM加工可以分为成形和流变成形。由于在运输和自动化的方便，触变成形广泛用于汽车工业制造镁合金和铝合金。 除了获得非枝晶，小，近球形结构，触变成形的另一个重要特性是它的能力，它能较好地减少缺陷如缩松和液体分离。高压压铸（HPDC）被广泛用于形成SSM，但很难完全消除孔隙由于其填充率高，导致湍流模腔填充和凝固收缩。挤压铸造（SC）是一个通用的术语来表示一个制造技术在凝固过程是在高压下的推广，结合压铸的优点和锻造成一个单一的操作，液态金属在压力下凝固的应用。 这使生产部件有着高完整性和好的力学性能。因此，半固态挤压铸造（SSSC），这可以被看作是半固态成形和挤压铸造的一个组合工艺，能够进一步提高产品性能。挤压铸造工艺参数对铝合金、镁合金及其复合材料的组织性能的影响已进行了大量的研究。近年来，应用SC在铝合金半固态加工的研究已在进行了。Mao .等人研究了流变挤压铸造A356铝合金。结果表明：当注射压力为22 MPa时，模腔不完全填充的然而，随着压力增加到34 MPa，腔可以完全填充和铸件表面质量很好。Burapa等人研究了初级阶段形态对AlSiMgFe合金半固态挤压铸件力学性能的影响。Lu等人，Dai等人研究了间接超声振动过程的流变挤压铸造铝合金（RSC）效应和挤压力和模具温度对显微组织和力学性能的影响。然而，很少有人进行了对AlSi9Mg合金半固态挤压铸造的研究。
核电设备典型镍基合金焊接接头力学性能评定及焊缝 金属热裂纹敏感性分析 上海交通大学 硕士学位论文 核电设备典型镍基合金焊接接头力学性能评定及焊缝金属热裂 纹敏感性分析 姓名:张茂龙 申请学位级别:硕士 专业:材料加工工程 指导教师:陆皓;牛明安 20030301海交通夫学硕士论文 核电设备典型镍基合金焊接接头力学性能评定 及焊缝金属热裂纹敏感性分析 摘要 本文以秦.二期核电站反应堆压力容器接管一安全端异种金 属镍基合金接头焊接为背景。秦山二期核电站反应堆压力容器, 是我国制造的首台级的反应堆压力容器,其中的镍基合金部件及 合金系统, 有关的镍基合金焊接材料均采用了 合金系统材料应用于反应堆压力容器在国内是首次。其接管一安全端
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1、低碳钢拉伸试验的过程可以分为 弹性变形 、 塑性变形 和 断裂 三个阶段。 2、材料常规力学性能的五大指标为： 屈服强度 、 抗拉强度 、 延伸率 断面收缩率 、 冲击功 。 3、陶瓷材料增韧的主要途径有 相变增韧 、 微裂纹增韧 、 表面残余应力增韧 、 晶须或纤维增韧 显微结构增韧以及复合增韧六种。 4、常用测定硬度的方法有 布氏硬度 、 洛氏硬度 和 维氏硬度 测试法。 1、聚合物的弹性模量对 结构 非常敏感，它的粘弹性表现为滞后环、应力松弛和 蠕变 ，这种现象与温度、时间密切有关。 2、影响屈服强度的内在因素有： 结构健 、 组织 、 结构 、 原子本性 ；外在因素有： 温度 、 应变速率 、 应力状态 。 3、缺口对材料的力学性能的影响归结为四个方面： (1)产生应力集中 、 (2)引起三相应力状态，使材料脆化 、 (3)由应力集中带来应变集中 、(4)使缺口附近的应变速率增高 。 4、低碳钢拉伸试验的过程可以分为 弹性变形 、 塑性变形 和 断裂 三个阶段。 5、材料常规力学性能的五大指标为： 屈服强度 、 抗拉强度 、 延伸率 断面收缩率 、 冲击功 。 6、陶瓷材料增韧的主要途径有 相变增韧 、 微裂纹增韧 、 表面残余应力增韧 、 晶须或纤维增韧 显微结构增韧以及复合增韧六种。 请说明下面公式各符号的名称以及其物理意义 7、c IC c a Y K /=σ σc ：断裂应力，表示金属受拉伸离开平衡位置后，位移越大需克服的引力越大， σc 表示引力的最大值； K 1C ：平面应变的断裂韧性，它反映了材料组织裂纹扩展的能力； Y ：几何形状因子 a c : 裂纹长度 8、对公式m K c dN da )(?=进行解释，并说明各符号的名称及其物理意义（5分） 答：表示疲劳裂纹扩展速率与裂纹尖端的应力强度因子幅度之间的关系。 dN da ：裂纹扩展速率（随周次）； c 与m ：与材料有关的常数； K ?：裂纹尖端的应力强度因子幅度
一、疲劳对钻具的影响 80%的钻具失效与疲劳有关。 1.疲劳产生原因 如果钻具发生弹性或塑性弯曲变形，钻具每旋转一圈都会产生一次应力，应力集中的管体或接头会逐渐形成微裂纹。钻具每旋转一圈，微裂纹就会扩散一点，如果没有及时发现，最终将导致钻具失效。钻具失效是一个持续的、逐步积累的过程。 图14 井身结构造成的钻具背弯（bend） （管体失效原因） 图15 钻压反作用力造成的钻杆和钻铤的S弯（buckle）（井底钻具螺纹失效原因） 图16 应力—时间周期性变化图 2.如何降低疲劳 （1）刚开始旋转钻具时，钻压要低（或增加井底钻具的重量），这样能减轻钻杆的S弯（图15）。 （2）去除因吊卡牙等咬伤严重的钻具，这些咬伤部位是应力集中点。 （3）在很硬的地层钻进时会产生振动，振动能导致钻具失效。通过合理设计井底钻具组合、降低钻压或转速，可减轻振动。
（4）控制泥浆腐蚀速度。泥浆腐蚀性越强，微裂纹生长越快。 （5）通过其他方式降低钻杆弯曲度（狗腿度）井底钻组组合弯曲度。 （6）通过使用MWD（随钻测量）监视和控制钻具振动。为井底钻具选择合适的抗弯强度比（BSR）来降低疲劳影响。 （7）制造井底钻具时带有应力减轻结构（应力槽）。 图17弯曲强度比图中英文意思： HIGH RISK OF PREMA TURE BOX FAILURE：母接头更高的失效几率 HIGH RISK OF PREMA TURE PIN FAILURE：公接头更高的失效几率 BALLANCED CONNECTION：螺纹平衡点 MAXIMUM LIFE：最大寿命 FATIGUE LIFE：失效时间（周期） WEAK BOX：母接头薄弱 WEAK PIN：公接头薄弱 图18a：公接头带应力槽，母接头孔背结构 图18b：公接头刺漏
一．名词解释 粘着磨损（咬合磨损）：因缺乏润滑油，摩擦副表面无氧化膜，且单位法 向载荷很大，以致接触应力超过实际接触点处屈服强度而产生的一种磨损。 解理断裂：金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值时，以极 快速率沿一定的晶体学平面产生的穿晶断裂。 应力腐蚀：金属材料在拉应力和特定化学介质共同作用下，经过一段时间 后所产生的低应力脆断现象。 低温脆性：体心立方晶体金属及合金或某些密排六方晶体金属及合金，在 试验温度低于某一温度时，会由韧性状态变成脆性状态，冲击吸收功明显 下降，断裂机理由微孔聚集型变成穿晶解理型，断口特征由纤维状变成结 晶状。 疲劳：金属机构或构件在变动应力和应变长期作用下，由于累积损伤而引 起的断裂现象。 应力状态软系数：最大切应力τ与最大正应力б的比值表示它们的相对大 小，记为α。 氢脆：由于氢和应力的共同作用导致金属材料产生脆性断裂的现象。 高周疲劳：金属在循环载荷作用下，疲劳寿命为大于10 次的疲劳断裂。 缺口效应：由于缺口的存在，在静载荷的作用下，缺口截面上的应力状态 将发生变化，从而影响金属材料的力学性能。 磨粒磨损：当摩擦副一方表面存在坚硬的细微突起，或者在接触面之间存 在着硬质粒子时所产生的一种磨损。 包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加 载，规定残余伸长应力增加：反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。 疲劳裂纹门槛值：是疲劳裂纹不扩展的的临界值，表示材料阻止疲劳裂纹 开始扩展的性能，越大，阻止裂纹扩展的能力越强，材料越好。 穿晶断裂：裂纹穿过晶粒内部扩展，既是宏观塑性断裂，也是宏观脆性断 裂，包括纯剪切和微孔聚合型断裂。 冲击吸收功：指规定形状和尺寸的试样在冲击试验力一次作用下折断时所 吸收的功。
力学性能测试中各因素的影响 金属力学性能试验方法是检测和评定金属材料产品质量的重要手段之一。其中拉伸试验则是应用最广泛的力学性能试验方法。拉伸试验过程中的各项强度和塑性性能指标是反映金属材料力学性能的重要参数。结合国家标准、工作中出现的问题及查阅相关资料，现对影响拉伸试验结果准确度的因素，如试样的形状、尺寸、表面加工精度、加载速度、夹持器具及周围环境等做一次总结。 1样品的制备 1. 1样品制备对拉伸曲线和测试数据有影响 样品制备是很关键，准确的制样是获得准确实验数据的前提，GB /T2975 – 1998和GB/T 228.1-2010对试样的取材、形状、尺寸、加工精度和方法等都作了统一的规定。实际工作中，对于板材和管材的试样是平板和圆管弧板带肩试样，一是制样时一般采用铣削加工，在过渡圆处会停止进刀，如果最后一刀给尽量较大，在加工抗力的作用下，使平行段铣削时就有较多的让刀，到达过渡圆弧与平行段衔接处的截面积减小;二是过渡圆有应力集中的影响，拉伸中试样的标距外部分先进入屈服状态。对于圆管弧板带肩试样在夹紧时，展平夹紧部分使得试样产生弯曲应力，其最大值集中在过渡圆处，拉伸时也会产生曲线异常的现象，会影响测试数据。 1. 2样品制备要求 首先，根据要检验样品，按GB /T228.1 - 2010制备标准样品。国家标准对试样的取材、形状、尺寸、加工精度、试验的手段和方法以及数据的处理等都作了统一的规定。其次，对破坏性试验，如材料强度指标的测定，考虑到材料质地的不均匀性，为使实验结果能相互比较，获得准确可靠的数据，应制备多个试样，得出材料的性能指标，然后综合评定结果，对非破坏性试验，试样弹性模量、变形量等的测定，因为要借助于变形放大仪表，为减小测量系统引入的误差，一般也要采用多次重复，然后综合评定结果。第三，样品制备时，应尽量使过渡圆衔接处面积相等，提高加工精度，修磨光滑，不要有加工刀痕，减小应力集中，以减少试验结果误差。 2拉伸速度对试验结果的影响及控制要求 2. 1拉伸速度的影响 拉伸速度不仅对测试数据有影响，对拉伸曲线的形貌也有影响。板状拉伸试样拉伸时，会出现这种情况，其拉伸曲线在上屈服点处不是先沿弹性曲线向上到达上屈服点，然后再向下进入屈服过程，而是出现在沿弹性直线向上到达下屈服点时，曲线先向左、向上、再向右、向下画圈，最后进入屈服流动过程的现象。试样在被拉伸到屈服极限附近时，在引伸计标距范围内突然出现拉伸力几乎不变，引伸计测得的变形出现回弹，而不是快速增加这样的拉伸曲线现象，主要原因是:试样在被拉伸到屈服极限附近
金属的织构与形变行为对力学性能的影响在材料科学领域，金属的织构与形变行为对力学性能有着重要的影响。织构是指金属晶粒的取向分布情况，而形变行为则是指金属在外力作用下的变形方式。本文将详细探讨金属织构和形变行为对力学性能的影响，并分析其中的机制。 第一部分：金属织构对力学性能的影响 金属的晶粒取向分布是由制备工艺和加工方式决定的。不同取向的晶粒具有不同的力学性能。首先，织构对金属的力学强度和塑性有着显著影响。当金属晶粒沿特定取向堆垛排列时，可以形成高密度的晶界，从而增加材料的抗拉强度。同时，这种特定的晶粒排列方式也可以使材料具有较高的塑性，能够更好地抵抗塑性形变。 其次，金属的织构对金属的断裂韧性和疲劳寿命也有重要的影响。当晶粒取向呈现出随机分布时，晶界的能量分散，降低了晶界的应力集中程度，从而提高了材料的断裂韧性。此外，织构对金属的疲劳性能也有重要影响。当晶粒排列呈现出一定的取向时，可以有效抑制疲劳裂纹的扩展，从而提高材料的疲劳寿命。 第二部分：金属形变行为对力学性能的影响 金属的形变行为是指金属在外力作用下发生的塑性变形。形变方式取决于加载方式、应力状态和金属的织构。金属的形变行为对力学性能有着重要的影响。
首先，金属的变形方式会影响其塑性和强度。例如，在拉伸过程中，金属晶粒沿拉伸方向发生拉伸，会导致材料的抗拉强度增加。而在压 缩过程中，晶粒沿压缩方向发生滑移，使材料具有较好的塑性。因此，不同的变形方式能够调控金属的力学性能。 其次，金属的变形行为还会影响金属的疲劳性能。在循环加载下， 金属会累积损伤，疲劳裂纹逐渐扩展，导致断裂。而金属的织构和形 变行为会影响疲劳裂纹的扩展速率和路径，从而影响材料的疲劳寿命。 第三部分：金属织构与形变行为影响力学性能的机制 金属织构和形变行为对力学性能的影响机制是多方面的。一方面， 织构可以改变晶粒界面的能量，调控晶界迁移和滑动，影响材料的塑 性和强度。另一方面，织构会改变晶粒取向的分布，从而影响晶界的 断裂行为和疲劳裂纹扩展。同样，金属的形变行为通过改变晶粒的形 状和排列来影响材料的塑性和疲劳性能。 此外，织构和形变行为还会影响材料的晶体内应力分布。晶体内应 力分布会影响晶体的力学性能，如断裂韧性和疲劳强度。因此，金属 织构和形变行为对材料力学性能的影响是综合作用的结果。 总结： 金属的织构和形变行为对力学性能有着重要的影响。织构的存在可 以提高金属的抗拉强度、塑性、断裂韧性和疲劳寿命。而金属的形变 行为则调控材料的塑性和强度，同时也影响疲劳性能。金属织构和形 变行为通过改变晶粒的形状、排列和晶界的能量来影响材料的力学性
矿用螺旋式钻杆的疲劳应力分析 螺旋式钻杆是矿山钻探中常用的钻具之一，主要用于钻孔作业。在长时间的使用过程中，钻杆会受到循环载荷的作用，最终导致疲劳破坏。因此，对于螺旋式钻杆的疲劳应力分析尤为重要。 螺旋式钻杆主要由钻杆身和螺纹部分组成。对于钻杆身而言，由于其直径较大，其疲劳应力较为容易分析。一般来说，钻杆身的疲劳断裂主要受到动载荷的影响。在钻杆绕主轴转动时，由于钻头与岩石之间的摩擦力，钻杆受到的载荷会不断变化。此外，钻杆身本身的重量也会对其受力情况产生影响。因此，钻杆身的疲劳应力分析需要考虑到这些因素。 相比于钻杆身，螺纹部分的疲劳应力分析相对更为复杂。螺纹部分是钻杆中最易发生疲劳断裂的部位，因此，对其进行深入的疲劳应力分析非常重要。螺纹部分的疲劳断裂主要受到静载荷和动载荷的影响。在装配钻杆时，需要对螺纹部分进行拧紧，从而产生一定的静载荷。而在钻孔过程中，钻杆会不断地受到动载荷的作用，这些载荷会使螺纹部分受到扭转变形。当这些载荷超过一定的极限值时，螺纹部分就会发生疲劳破裂。 为了更好地分析螺纹部分的疲劳应力分布，需要采用三维有限元方法进行模拟分析。这种方法可以模拟钻具的实际工作情况，考虑载荷的不同位置和变化规律，并进行详细的应力和位移分析。通过这种方法可以得到钻杆螺纹部分的应力密度分布图和疲劳损伤分析图，从而更好地预测钻杆的寿命。 总之，螺旋式钻杆在矿山钻探中具有广泛的应用，但其疲劳寿
命是一个很重要的问题。通过对钻杆身和螺纹部分的疲劳应力分析，可以更好地了解其寿命，从而及时进行维护和更换。相关数据主要涉及到钻杆材料本身的力学性能、载荷情况和疲劳寿命等方面。以下是对相关数据的分析： 1. 钻杆材料的力学性能：一般来说，螺旋式钻杆的材质是高碳钢或合金钢。其物理和力学性能包括密度、弹性模量、屈服强度、抗拉强度和硬度等。这些性能参数对钻杆的寿命和使用效果都有很大影响。 2. 载荷情况：螺旋式钻杆在使用过程中会受到动态载荷和静态载荷的作用。动态载荷主要包括钻杆的自重、钻头切削抗力以及钻进过程中的震动和冲击等；而静态载荷主要是由于螺纹部分的拧紧力产生的。这些载荷对钻杆的应力和疲劳寿命都有重要影响。 3. 疲劳寿命：疲劳寿命指的是钻杆在长时间载荷下，出现疲劳破坏前的工作寿命。其受到载荷种类、幅值和工况等因素的影响。因此，通过疲劳实验评估钻杆的疲劳寿命，可以更好地确定钻杆的使用寿命。 综上所述，相关数据对矿用螺旋式钻杆的研究和应用都至关重要。利用这些数据进行分析，可以更好地检验和评估钻杆的力学性能和疲劳寿命，从而保障钻探作业的安全和高效性。以某矿业公司对矿井中钻杆的研究为例，分析相关数据的意义及其影响。
弹性模量对材料力学性能的影响分析 材料力学性能是衡量材料质量和可靠性的重要指标之一。而弹性模量作为材料 力学性能的重要参数之一，对于材料的弹性变形和应力分布起着关键的影响。本文将从材料的弹性模量对力学性能的影响进行分析，探讨不同材料的应用领域和优缺点。 首先，弹性模量是衡量材料抵抗变形的能力的重要指标。弹性模量越大，材料 在受力时的变形能力越小，即材料具有较高的刚性。相反，弹性模量较小的材料则具有较高的可塑性和韧性。这意味着在应用中，弹性模量较大的材料适用于那些要求高刚性和稳定性的场合，如建筑结构、桥梁和机械设备等。而弹性模量较小的材料则适用于需要较高可塑性和韧性的场合，如汽车碰撞安全部件和塑料制品等。 其次，弹性模量还对材料的应力分布和疲劳性能起着重要的影响。弹性模量较 大的材料在受力时，应力分布较为均匀，能够有效地分散应力，减少局部应力集中，从而提高材料的疲劳寿命。而弹性模量较小的材料则容易出现应力集中现象，导致材料的疲劳寿命较短。因此，在设计和选择材料时，需要根据具体应用场景和要求，合理选择材料的弹性模量，以保证材料的力学性能和可靠性。 此外，弹性模量还对材料的热膨胀性能和声学性能产生影响。弹性模量较大的 材料在受热时膨胀较小，热膨胀系数较低，能够在温度变化较大的环境中保持较好的稳定性。而弹性模量较小的材料则容易受到温度变化的影响，热膨胀系数较高，容易出现尺寸变形和应力松弛等问题。在声学性能方面，弹性模量较大的材料具有较好的声学传导性能，适用于声音传导和隔音等应用。而弹性模量较小的材料则具有较好的声学吸声性能，适用于噪音控制和声学材料等领域。 最后，不同材料的弹性模量具有一定的优缺点。例如，金属材料的弹性模量较大，刚性好，但可塑性较差；而塑料材料的弹性模量较小，可塑性好，但刚性较差。因此，在实际应用中，需要根据具体需求和要求，选择合适的材料。同时，根据材料的弹性模量，还可以对材料进行合理的设计和优化，以满足不同应用场景和要求。
机械制造中有大量的轴、连杆、螺栓等受力结构件，要求有良好的综合力学性能，主要指标有：σb、σs、δ、αk、ψ和HRc六种。选用中碳结构钢和合金结构钢制造，经调质处理达到设计技术条件。淬火与高温回火工艺的选择通常查回火性能曲线确定。但在实际生产中会出现力学性能合格和部分合格现象，影响因素有十种，必须采用相应对策。 1. 钢串化学成分对力学性能的影响 生产中常出现同一牌号钢在同一工艺条件下处理，有的产品性能合格，有的却不合格。经化学成分检验发现，同一钢号有的元素含量为上限，尤其是钢中C含量为上限；而有的元素含量为下限，尤其钢中C含量为下限。这是由于不同炉批炼钢所致。 因此，钢材入库时应严格按不同熔炼炉批号批次号分开堆放。使用时应重新化验钢材的化学成分，按其上、下限数据修订热处理工艺参数，并提高控温仪表精度等级，确保力学性能合格。 2. 钢中杂质元素对冲击韧度（αk值）的影响 一些厂矿只注重有益元素检测，而忽略有害微量元素测定（因后者化验较复杂，要有特殊设备才能对有害微量元素进行测定）。如某厂生产一批40Cr钢制高强度螺栓，经调质处理，αk值总是上不去，最后发现是因钢中有害杂质元素P含量较高所致。下表为40Cr钢中P含量对αk值的影响。 钢在加热时，P易偏聚在奥氏体晶界，使晶界结合力急剧降低，引起晶界脆化。当钢中P含量≥0.02％时，αk值大幅度降低，导致产品早期脆性断裂，甚至发生事故。国内钢厂众多，因设备和冶炼技术等原因，相同钢号中P含量高低不
一，有的大大超过国标。生产单位应根据产品性能需要，严格把关，控制钢中P含量≤0.02％，确保αk值合格。 3. 原材料组织缺陷对力学性能的影响 钢液在凝固结晶时，化学成分严重偏析产生粗大奥氏体和铁素体晶粒及块、网状组织。钢锭轧制时这些组织沿轧制方向形成带状组织，力学性能有明显的方向性，纵向性能大大高于横向性能，δ、ψ和αk值等横向性能急剧降低。面带状组织很稳定，热处理无法消除。 只有对原材料进行改锻，经过双十字型2～3次镦拔才可击碎带状组织，使之≤3级。锻造成形后乘高温余热进行锻调质预处理，可细化晶粒，改善显微组织结构，提高横向性能。 4. 淬火加热温度与冷却介质对力学性能的影响 各种钢号均有推荐的最佳淬火加热温度，但在实际生产中出现的力学性能有高有低，往往与原材料密切相关，如钢中含有Mo、W、V、Ti等合金元素时，晶粒细密淬火加热时奥氏体晶粒不易长大，淬火温度应选上限或适当提高，以便增加钢的淬透性与淬硬性；而碳结构钢和含Mn结构钢加热时晶粒易长大，宜用下限温度淬火或适当降低温度，防止奥氏体晶粒粗化，影响力学性能。同一牌号钢，为得到同一力学性能指标，选择淬火加热温度还与设备有关，在空气电炉、真空电炉中加热工件比在盐炉、铅炉加热工件可高出10～20℃。 产品材料确定后，应根据钢材淬透性能选择淬火冷却介质，当淬火介质冷却能力强时可用下限淬火加热温度；反之，用上限淬火加热温度或适当提高温度。冷却介质应选择在钢的Ms点以上快冷，防止过冷奥氏体冷却时与c曲线鼻子相碰，避免过冷奥氏体析出第二相，在Ms点以下缓冷，降低组织应力、热应力和变形开裂，从而经高温回火后得到较理想的综合力学性能。
焊接应力释放槽尺寸概述及解释说明 1. 引言 1.1 概述 焊接是一种常见的金属加工方法，应用广泛于各行各业。然而，在焊接过程中会产生应力，如果不加以释放处理，将会对焊接质量和结构完整性造成不利影响。而焊接应力释放槽的尺寸则被认为是控制焊接应力的重要因素之一。本文将详细介绍焊接应力释放槽尺寸的概念、重要性以及其对焊接质量的影响。 1.2 文章结构 本文共分为五个部分进行论述。首先在引言部分，我们将介绍文章的概述，并说明文章的结构和目的。其次，在第二部分中，我们将详细讨论焊接应力释放槽尺寸的重要性，并通过实例分析来说明不同尺寸应力释放槽对焊接结果的影响。第三部分将介绍研究方法与实施步骤，包括实验设计、参数设置、数据采集和处理方法以及结果分析和解读过程。第四部分探讨了影响因素及其调控策略，主要涉及材料特性对应力释放槽尺寸的要求、加热温度和时间对应力释放槽尺寸的优化选择，以及设计原则与材料选择指南。最后，在结论与展望部分，我们总结主要研究结果，论述研究的限制，并提出未来研究的方向。 1.3 目的 本文旨在全面介绍焊接应力释放槽尺寸的概念、重要性和影响因素，并提供相关
调控策略和设计指南。通过深入探讨焊接应力释放槽尺寸对焊接质量的影响，可以为焊接工程师和相关从业人员提供实用的参考和指导，帮助他们更好地掌握焊接技术，提高焊接质量和效率。此外，本文还将对未来研究方向进行展望，以促进该领域的进一步发展与创新。 2. 焊接应力释放槽尺寸的重要性 2.1 焊接应力释放槽的定义 焊接应力释放槽是在焊接过程中预先设置的特殊空隙或凹槽，用于缓解焊接材料产生的应力。它能够有效地减少焊件在冷却过程中由于热胀冷缩引起的变形和裂纹等问题。 2.2 应力释放槽尺寸对焊接质量的影响 应力释放槽尺寸对焊接质量具有重要影响。如果应力释放槽尺寸不合适，将会导致以下问题： 首先，当应力释放槽尺寸过小时，无法提供足够的空间来缓解焊接材料产生的热胀冷缩应力。这会导致焊件产生较大的变形和残余应力，甚至可能造成裂纹等严重问题。 其次，如果应力释放槽尺寸过大，则会增加构件表面积，降低结构整体强度，并且需要消耗更多的材料和时间来制造这些大型应力释放槽，从而增加了成本和工
第四章不同光洁度的试样对力学性能的影响 一，不同光洁度的试样对力学性能的影响 影响金属材料力学性能试验结果的因素很多，在一般情况下可笼统归纳为两大類： 1.外在因素的影响 如试验温度、拉伸速度、环境介质、试样的尺寸因素、试样形状及应力状态（应力集中、材料存在的残余应力類别、试样表面的加工质量－表面光洁度）、取样方法（不同的位置及方向）、试样的机械加工条件（車、铣、磨、刨的切削用量－不田切削深度、切削速度、走刀量等）。 2,内在因素的影响 如材料的化学成份、晶粒度大小、不同的相成份，第二相的存在等。以上这些因素的存在均能引起金属材料机械性能的变化。为此，国内外广大科学工作者和冶金试验人员都引起极大的重视和关注。多年来许多试验人员对此做了大量的试验研究工作，其目的就是要很好地了解如何解决这些因素的影响，从而寻求最合理的工艺条件、制定最科学的试验方法，充分发挥金属材料的内在潜力。 关于试样表面光洁度不同对静力拉伸试的影响因素的研究及更深一步的基理探讨，从目前看国内外都很少有这方面的报道。以往多偏重于交变疲劳方面的研究较多。因为试样表面光洁度不同时，对疲劳寿命的影响的确非常敏感，特别是对那些低塑性材料及高强度合金的影响更为严重。但是不同光洁度的试样对静力拉伸试验是否也具有某些影响呢？为此我们这次就专门对此進行了试验研究，採用不同的的金属材料加工成各不相同表面光洁度的试样，视它们之间是否对各项力学性能也有影响。 3,拉伸试样对光洁度的规定 在力学试验中，为为了准确测定金属材料的各项力学性能数据，因此对各种试验条件都必须有统一的规定和合理的要求，如对试样的加工方法和表面质量都有明确的规定，假如对某一方面不加重视和考慮，都会试验数据造成不真实从而降低了试验质量。 在目前许多试验方法和各類型的专用技术中规範为什么对试样的表面质量和试样光洁度都提出明确的规定呢？其原因是若试样表面光洁度很差时，其表面必然十分粗糙，也就是说试样表面有许多微小的刀痕和凹凸不平的沟槽构成了大小不同的应力集中点。因此，在拉伸应力作用下，使得某些脆性材料或且是低塑性合金（如淬火高碳钢等对应力集中很敏感的
铝合金焊接接头的力学性能研究 摘要：铝合金焊接接头因其特殊的焊接特点而导致其焊接接头易产生气孔及裂纹，不同的焊接方法（常见的MIG/TIG和激光焊接）和焊接工艺也会影响其焊接接头的力学性能。因此，很多学者对铝合金焊接接头的力学性能进行了大量研究，通过反复实验调控其工艺参数得到了良好的接头力学性能。 关键词：铝合金焊接力学性能 铝合金因其质量轻、强度高及优良的加工性能,被广泛应用于航空航天、交通运输和建筑等领域,铸造铝合金具有密度小、强度高、耐腐蚀和易成型等优点,普遍应用于航空、铁路、汽车等工业领域[1]。 一、铝合金焊接特点 铝合金在焊接过程中通常有以下特点[2]： 1）与氧的亲和力很强。铝在空气中极易与氧结合，并生成致密的氧化铝薄膜，但是氧化铝薄膜在焊接过程中并没有益处，反而会阻碍金属之间的良好结合，并易造成夹渣。氧化铝薄膜还会吸附水分，进而导致焊接时在焊缝中形成气孔。 2）线膨胀系数大。线膨胀系数大易产生焊接变形。铝及铝合金凝固时体积收缩率达6.5%，因此，在焊接某些铝合金时，在焊缝金属中形成裂纹的倾向性很大，进而由于存在很大的内应力而产生裂纹。 3）导热率和比热大。在焊接过程中热源产生的大量热能会被迅速传导到金属内部。焊接铝合金的过程中必须采用能量集中、功率大的热源，才能得到高质量的焊接接头。 4）焊接时易形成气孔。氢的来源是水分，主要是弧柱气氛中的水分、焊接材料及母材所吸附的水分，其中还包括焊丝及母材表面氧化铝薄膜所吸附的水分。在高温状态下，铝及铝合金的液体熔池极易溶入的大量气体形成气孔，而且由液态凝固时，铝及铝合金的溶解度急剧下降。因此，在焊接完成后的冷却凝固过程中，气体因来不及排出而保留在焊缝中形成气孔。 5）可能会出现焊合条纹。焊合条纹是铝合金挤压型材在腐蚀处理或阳极氧化处理后，表面出现或明或暗且平行于挤压方向的白色线纹。焊合条纹不会降低型材的力学性能，但是会产生较大色差，若是用于外观表面部分，用户难以接受太大的色差。对于如何消除铝型材表面焊合条纹，还是学者需要研究的重点问题。 二、MIG/TIG焊接 姜丕文[2]等人利用A356-T6铝合金重力铸件进行MIG对接焊接，选用ER5356铝合金焊丝做填充材料,焊丝直径为Φ1.2mm。其中，母材A356,屈服强度228MPa,抗拉强度292MPa,延伸率8.3%;填充材料ER5356焊丝,屈服强度125MPa,抗拉强度257MPa,延伸率15.6%。 焊接完成后，进行横向拉伸试验,加载速率10mm/min,每组测试2个试样,取平均值作为测试结果。进行SEM拉伸断口形貌观察和硬度测试。 试件断裂位置如图1所示,焊接接头都断裂在热影响区,试件的抗拉强度为192MPa,屈服强度为159MPa,接头系数达到0.8,分析主要因为在热影响区组织受焊接热作用,发生了过时效,导致强化相聚集,组织变大,强度降低。
D406A钢薄壁圆筒旋压成形及热处理对其组织性能的影响 I. 引言 A. 研究意义 B. 研究背景 C. 研究目的 II. 理论基础 A. 旋压成形原理 B. D406A钢的组织性能 C. 热处理对金属组织性能的影响 III. 实验设计 A. 材料选择及试样制备 B. 旋压成形试验方案 C. 热处理试验方案 IV. 结果与分析 A. 旋压成形试验结果分析 1. 成形质量分析 2. 形变状态分析 B. 热处理试验结果分析 1. 组织显微结构分析 2. 硬度测试结果分析 V. 结论与展望 A. 结论总结 B. 对未来的研究展望
VI. 参考文献 注：以上提纲仅供参考，实际写作需要根据研究内容进行适当调整。一、引言 D406A钢作为一种重要的加工材料被广泛应用于航空、航天、汽车、机械制造等领域。然而，由于其硬度高、耐热性好等特点，D406A钢加工难度较大，如何实现高效率和高质量的加 工一直是工程技术人员关注的问题。本文从D406A钢薄壁圆 筒旋压成形及热处理对其组织性能的影响方面进行研究，探讨 D406A钢加工中的关键问题，对于提高D406A钢的机械性能 有着重要的意义。 二、理论基础 1.旋压成形原理 旋压成形是将平板材料经过一定的加工过程，通过多次旋转和压缩成为具有特定形状和尺寸的中空件的加工方法。该方法的优点在于成形过程中不需要进行放电加工，相对于拉伸成形和模锻成形等传统成形方法，旋压成形的轴向应力和周向应力输，有助于提高材料的塑性，同时也能够增强材料的强度和硬度。因此，旋压成形是一种高效率、高精度的成形方法，广 泛应用于航空、汽车、电子等领域。 2.D406A钢的组织性能
石油钻杆材料G105在不同条件下的疲劳断裂 黄本生;陈想;陈勇彬;李永斌 【摘要】采用国产PQ-6型旋转弯曲疲劳试验机研究钻杆管体材料G105的弯曲疲劳性能以及H2S腐蚀和缺口对试样弯曲疲劳性能的影响,利用金相显微镜和扫描电子显微镜对光滑试样断口、缺口试样断口以及H2S腐蚀后试样断口进行微观形貌分析.结果表明:在光滑试样的疲劳极限载荷作用下,经过H2S腐蚀后的光滑试样的疲劳寿命和缺口试样的疲劳寿命相当,材料的疲劳寿命都从106降低至104;缺口试样在缺口的高应力集中效应下,加快疲劳裂纹形核过程.H2S腐蚀对钻杆疲劳性能影响的主要作用在于氢原子在材料内缺陷处聚集引起材料疲劳性能降低,缺口和 H2S腐蚀都会加快疲劳裂纹的扩展.材料疲劳断裂主要是因为试样在交变应力的作用下上产生滑移最后致使位错塞积而导致的. 【期刊名称】《材料工程》 【年(卷),期】2016(044)002 【总页数】8页(P107-114) 【关键词】G105钻杆钢;疲劳断裂;断口;滑移 【作者】黄本生;陈想;陈勇彬;李永斌 【作者单位】西南石油大学材料科学与工程学院,成都610500;西南石油大学材料科学与工程学院,成都610500;西南石油大学材料科学与工程学院,成都610500;辽宁省新民市沈阳采油厂,沈阳110316 【正文语种】中文
【中图分类】G105 钻杆是石油、天然气开采和地质勘探中的重要结构件，也是石油钻柱的主要构件，其通常在交变载荷下工作，加上还受到环境介质和H2S的影响，钻杆的服役条件 十分恶劣,经常出现由疲劳和腐蚀疲劳引起的钻杆失效的事故[1-5]。 国内外学者已经对钻杆钢的疲劳性能和断裂机理进行了一定研究，大多学者都是从力学角度来研究钻柱的疲劳失效。然而根据现场调查表明，钻柱失效往往发生在很短的时间内，其寿命远远低于其疲劳寿命，这说明还存在影响钻柱寿命的其他因素[6-14]。国外学者Dale认为裂纹扩展导致钻柱疲劳失效的原因除了与金属材质有 关外，还与腐蚀、划痕、应力突变、摩擦、微裂纹扩张等加速初始疲劳裂纹扩展的因素有关[15]。目前开发的油气资源中，出现了大量含H2S油气田，地层中H2S 的存在会加速钻杆的疲劳破坏。此外，钻杆表面伤痕也会急剧缩短钻杆的使用寿命，因此对钻杆弯曲疲劳性能以及表面伤痕、H2S对钻杆疲劳的影响开展研究都是十 分必要的[16,17]。由于H2S毒性及疲劳试验机的局限性，不能做腐蚀和疲劳的交互实验，但是考虑到H2S对钻杆危害性，本工作中腐蚀试样的疲劳实验是预腐蚀 后疲劳，从侧面分析H2S腐蚀对钻杆疲劳的寿命的影响。因此本工作在前人的基 础上对目前使用量较大的G105石油钻杆的管体材料在缺口和H2S腐蚀两个因素 作用下的疲劳断裂行为进行研究，旨在弄清钻杆材料疲劳性能的影响因素和不同情况下的断裂机理，为钻杆的使用以及新钻杆材料的开发提供参考。 实验材料为G105钻杆管体材料(26CrMo)，其化学成分如表1所示。其中S，P 含量完全符合API对于钻杆材料使用规范的要求。材料的力学性能如表2所示。 该钻杆的供货状态为调质态，在GX-51型金相显微镜下观察材料的金相组织形态 为回火索氏体，如图1所示。 根据GB/T4337—2008标准开展旋转弯曲疲劳实验，疲劳试样沿钻杆的纵向取样。实验设备为国产PQ-6型旋转弯曲疲劳试验机，采用升降法进行，同时采用四点加
一，强度 定义： 金属材料在外力作下抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。按外力作用的性质不同，主要有屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗用弯强度等，工程常用的是屈服强度和抗拉强度，这两个强度指标可通过拉伸试验测出。 机械上是指零件承受载荷后抵抗发生断裂或超过容许限度的残余变形的能力。也就是说，强度是衡量零件本身承载能力（即抵抗失效能力）的重要指标。强度是机械零部件首先应满足的基本要求。机械零件的强度一般可以分为静强度、疲劳强度（弯曲疲劳和接触疲劳等）、断裂强度、冲击强度、高温和低温强度、在腐蚀条件下的强度和蠕变、胶合强度等项目。强度的试验研究是综合性的研究，主要是通过其应力状态来研究零部件的受力状况以及预测破坏失效的条件和时机。 【材料学上是指材料承受外力而不被破坏(不可恢复的变形也属被破坏)的能力.根据受力种类的不同分为以下几种: (1)抗压强度--材料承受压力的能力. (2)抗拉强度--材料承受拉力的能力. (3)抗弯强度--材料对致弯外力的承受能力. (4)抗剪强度--材料承受剪切力的能力.】 材料、机械零件和构件抵抗外力而不失效的能力。强度包括材料强度和结构强度两方面。强度问题有狭义和广义两种涵义。狭义的强度问题指各种断裂和塑性变形过大的问题。广义的强度问题包括强度、刚度和稳定性问题，有时还包括机械振动问题。强度要求是机械设计的一个基本要求。 材料强度： 指材料在不同影响因素下的各种力学性能指标。影响因素包括材料的化学成分、加工工艺、热处理制度、应力状态，载荷性质、加载速率、温度和介质等。 1、按照材料的性质，材料强度分为脆性材料强度、塑性材料强度和带裂纹材料的强度。 ①脆性材料强度：铸：钦钢等塑性材料断裂前有较大的塑性变形,它在卸载后不能消失,也称残余变形。塑性材料以其屈服极限为计算强度的标准。材料的屈服极限是拉伸试件发生屈服现象（应力不变的情况下应变不断增大的现象）时铁等脆性材料受载后断裂比较突然，几乎没有塑性变形。脆性材料以其强度极限为计算强度的标准。强度极限有两种：拉伸试件断裂前承受过的最大名义应力称为材料的抗拉强度极限，压缩试件的最大名义应力称为抗压强度极限。 ②塑性材料强度的应力。对于没有屈服现象的塑性材料，取与0.2％的塑性变形相对应的应力为名义屈服极限,0.2表示。 ③带裂纹材料的强度：常低于材料的强度极限，计算强度时要考虑材料的断裂韧性（见断裂力学分析）。对于同一种材料,采用不同的热处理制度,则强度越高的断裂韧性越低。 2、按照载荷的性质，材料强度有静强度、冲击强度和疲劳强度。 材料在静载荷下的强度,根据材料的性质,分别用屈服极限或强度极限作为计算强度的标准。材料受冲击载荷时，屈服极限和强度极限都有所提高（见冲击强度）。材料受循环应力作用时的强度，通常以材料的疲劳极限为计算强度的标准（见疲劳强度设计）。此外还有接触强度（见接触应力）。 3、按照环境条件，材料强度有高温强度和腐蚀强度等。 高温强度包括蠕变强度和持久强度。当金属承受外载荷时的温度高于再结晶温度（已滑移晶体能够回复到未变形晶体所需要的最低温度）时，塑性变形后的应变硬化由于高温退火而迅速消除,因此在载荷不变的情况下,变形不断增长，称为蠕变现象，以材料的蠕变极限为