D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2013.05.009 第35卷第5期 北京科技大学学报 Vol.35 No.5 2013年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 2013 22Si2 MnCrNi22MoA钎杆断裂失效分析 朱洪武，刘雅政)四，周乐育)，王磊英2)，黄斌 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 2)西宁特殊钢股份有限公司，西宁810005 通信作者，E-mail:lyzhustb.edu.cn 摘要运用金相观察、扫描电镜观察和能谱定量分析等实验手段，从组织状态，夹杂物、断口形貌等方面分析了 22Si2 MnCrNi2MoA纤杆内螺纹处断裂原因，同时对其疲劳裂纹起源和扩展进行了探讨.22Si2 MnCrNi2MoA纤杆内螺 纹处断裂破坏并不是由组织异常和夹杂物引起的，而是由于22Si2 MnCrNi2MoA钎杆存在明显的壁厚不均，在高频应 力、严重的内外耗同时存在的应力状态下持续工作，壁厚较薄处极易成为受力薄弱区，疲劳裂纹更倾向于在此处优先形 成，从而致使壁厚较薄处优先断裂，最终导致钎杆断裂失效.该钎杆疲劳破坏起源于内表面，属于多源的疲劳断裂。起 源区微观形貌为韧窝形貌，扩展区的微观形貌为韧窝和沿品的混合形貌 关键词工具钢：纤杆：失效分析：疲劳损伤：裂纹萌生；裂纹扩展 分类号TG142.1+2 Failure analysis of 22Si2MnCrNi2MoA drilling rods ZHU Hong-wu),LIU Ya-zheng),ZHOU Le-yu),WANG Lei-ying?),HUANG Bin2) 1)School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Xining Special Steel Co.Ltd.,Xining 810005,China Corresponding author,E-mail:lyzh@ustb.edu.cn ABSTRACT The fracture of a 22Si2MnCrNi2MoA drilling rod near the internal thread was analyzed in term of the microstructure,inclusions and fractograph by means of optical microscopy,scanning electron microscopy and energy dispersive spectroscopy.Fatigue crack initiation and propagation in the drilling rod were studied.It is found that the fracture of the drilling rod is not induced by the abnormal microstructure and inclusions.Instead,because the wall thickness of the drilling rod near the internal thread is obviously uneven,the area with a thinner wall thickness tends to be the weak load-bearing point under the continuous stress of high frequency,serious outside consumption and internal friction existing simultaneously.Thus,fatigue cracks are likely to emerge in the area preferentially.After that,the drilling rod ruptures in the area and eventually fractures.Furthermore,this fatigue failure is originated from the inside surface of the drilling rod and it belongs to the fatigue fracture with many crack sources.The morphology of the zones around the crack sources is dimple fracture,but the morphology of the zones of crack propagation is a mixed type with dimple and intergranular fracture. KEY WORDS tool steel;drilling rods;failure analysis;fatigue damage;crack initiation;crack propagation 螺纹连接钎杆的凿岩使用，主要依赖于螺纹连 杆断裂或疲劳破坏的主要因素.另外，钎杆还承受 接钎杆的外螺纹与连接套筒或钎头的内螺纹施行连 扭转以及弯曲应力1-习， 接配合，通过凿岩机的回转冲击钻凿岩孔.螺纹连 螺纹钎杆的失效部位一般分布在螺纹、杆体、 接钎杆在凿岩过程中承受轴向的高频压缩和拉伸应 螺纹与杆体的过渡区三个部位，螺纹与杆体之间由 力，这两种以应力波形式出现的高频应力是造成钎 于存在设计的过渡区域，螺纹与杆体的过渡区的失 收稿日期：2011-1204
第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 钎杆断裂失效分析 朱洪武 , 刘稚政 回, 周乐育 , 王磊英 , 黄 斌 北京科技大学材料科学与工程学院, 北京 西宁特殊钢股份有限公司, 西宁 困 通信作者, 一 回 毛 摘 要 运用金相观察 、 扫描 电镜观察和能谱定量分析等实验手段 , 从组织状态 、 夹杂物 、 断 口形貌等方面分析了 钎杆 内螺纹处断裂原因, 同时对其疲劳裂纹起源和扩展进行了探讨 钎杆内螺 纹处断裂破坏并不是由组织异常和夹杂物引起的 , 而是 由于 咒 钎杆存在明显的壁厚不均 , 在高频应 力 、 严重的内外耗同时存在的应力状态下持续工作, 壁厚较薄处极易成为受力薄弱区, 疲劳裂纹更倾向于在此处优先形 成, 从而致使壁厚较薄处优先断裂 , 最终导致钎杆断裂失效 该钎杆疲劳破坏起源于内表面, 属于多源的疲劳断裂 起 源区微观形貌为韧窝形貌, 扩展区的微观形貌为韧窝和沿晶的混合形貌 关键词 工具钢 钎杆 失效分析 疲劳损伤 裂纹萌生 裂纹扩展 分类号 册 价 叮一二。`, 石口儿一功 即`困, 研 五一, 。`, 洲 万` 五。一、 尹, 万洲 刃` 刀 , , , , , , 囚 , 一 七 , 饰 , 一 · , , 、 一 , , 圣一 , , , 螺纹连接钎杆的凿岩使用 , 主要依赖于螺纹连 接钎杆的外螺纹与连接套筒或钎头的内螺纹施行连 接配合, 通过凿岩机的回转冲击钻凿岩孔 螺纹连 接钎杆在凿岩过程中承受轴向的高频压缩和拉伸应 力 , 这两种以应力波形式出现 的高频应力是造成钎 杆断裂或疲劳破坏 的主要因素 另外, 钎杆还承受 扭转以及弯曲应力 `一 螺纹钎杆 的失效部位一般分布在螺纹 、 杆体 、 螺纹与杆体的过渡区三个部位 , 螺纹与杆体之间由 于存在设计的过渡区域 , 螺纹与杆体 的过渡区的失 收稿 日期 一 一 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2013.05.009
:614 北京科技大学学报 第35卷 效比例较大，为此对该部位的失效样进行分析具有 图1(c)所示. 重要意义.本文对22Si2 MnCrNi2MoA钎杆在内螺纹 2实验结果 附近断裂失效进行了系统分析以确定其失效原因， 同时对疲劳裂纹起源和扩展进行了探讨. 2.1显微组织与硬度分布 1材料及取样方法 为了确定该22Si2 MnCrNi2MoA钎杆的组织状 态以及渗碳层深度，对该钎杆横截面和纵剖面进行 1.1材料 了观察及硬度分析，取样示意图见图1(c). 以22Si2 MnCrNi2MoA钢制造的钎杆缺陷样为 研究对象，其原始照片如图1(a)所示.22Si2MnCr 22Si2 MnCrNi:2MoA钎杆缺陷试样由内表面到 Ni2MoA钢的主要化学成分范围（质量分数，%）为： 基体的低倍组织见图2所示.由图2(b)可见，在 C,0.180.25;Si,1.201.80:Mn,1.101.60:Cr, 纵剖面低倍组织中无明显的带状组织.试样横截面 0.200.40:Mo,0.300.50:Ni,1.502.00. 内表面到基体的显微硬度分布曲线见图3，随着距 1.2取样方法 内表面距离的增加，显微硬度逐步降低，由HV6O0 将22Si2 MnCrNi22MoA钎杆缺陷试样断裂面整 左右降低到HV380.由横截面内表面到基体组织 片切下以观察断裂形貌特征，如图1(b)所示.继续 过渡（图2(a)》结合硬度分布曲线（图3），可以确定 向下切一片以进行显微组织观察和夹杂物分析，如 横截面内表面处的渗碳层深度约为0.8m (b) 横截面 纵面 图122Si2 MnCrNiz2MoA钎杆缺陷样及取样示意图.(a)钎杆缺陷样：(b)断口宏观形貌：(c)取样示意图 Fig.1 Defect specimen of the 22Si2MnCrNi2MoA drilling rod and its sampling schematic diagram:(a)defect specimen:(b)macro morphology of fracture;(c)sampling schematic diagram (a内表面 b内表面 0.8m 200μm 200μm 图2内表面到基体的显微组织。（a)横截面：(b)纵削面 Fig.2 Optical micrographs from the inside surface to the matrix:(a)cross section:(b)longitudinal section 680 22Si2 MnCrNi2MoA钎杆缺陷试样横截面由内 640 一第一组 0一第二组 表面到基体到外表面的显微组织见图4.内表层组 600 织为较细的回火马氏体组织，随后的次表层为马氏 体，基体和外表面以板条束状贝氏体为主 520 2.2纵剖面夹杂物 440 由于夹杂物的存在造成材料的断裂失 400 效是很常见的，因此利用扫描电镜观察了 360 22Si2 MnCrNiz2MoA钎杆缺陷试样纵剖面上的夹 320 0.00.20.40.60.81.01.21.4 1.6 杂物，取样示意图见图1(c).在纵剖面上，由 距内表面的距离/mm 22Si2 MnCrNi2MoA钎杆外表面到内表面发现了图 图3横截面内表面到基体的显微硬度曲线 5的夹杂物. Fig.3 Microhardness curves from the inside surface to the 夹杂物1呈不规则形状，最大长度约为3l, matrix on the cross section 由能谱分析可知为钛的化合物夹杂.夹杂物2近似
· · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 效比例较大 , 为此对该部位的失效样进行分析具有 重要意义 本文对 钎杆在 内螺纹 附近断裂失效进行 了系统分析 以确定其失效原 因, 同时对疲劳裂纹起源和扩展进行了探讨 图 所示 实验结果 显微组织与硬度分布 材料及取样方法 材料 以 钢制造的钎杆缺陷样为 研究对象 , 其原始照片如 图 所示 钢的主要化学成分范围 质量分数 , 为 , , 、 , 、 , , 、 取样方法 将 钎杆缺陷试样断裂面整 片切 下以观察断裂形貌特征 , 如图 所示 继续 向下切一片以进行显微组织观察和夹杂物分析 , 如 为了确定该 钎杆的组织状 态以及渗碳层深度 , 对该钎杆横截面和纵剖面进行 了观察及硬度分析, 取样示意图见 图 钎杆缺 陷试样 由内表面到 基体的低倍组织见图 所示 由图 可见 ·在 纵剖面低倍组织 中无明显 的带状组织 试样横截面 内表面到基体的显微硬度分布 曲线见图 , 随着距 内表面距离的增加 , 显微硬度逐步降低, 由 左右降低到 由横截面 内表面到基体组织 过渡 图 结合硬度 分布 曲线 图 , 可以确定 横截面 内表面处的渗碳层深度约为 , 图 钎杆缺陷样及取样示意图 钎杆缺陷样 断口宏观形貌 。 取样示意图 , 〔。肠 、 〕、 、,, 。、 。 、 、 图 内表面到基体的显微组织 横截面 纵剖面 · ,。 、 。 〔〕 , , 、。 川 口 第一组 叫 第二组 火 刨写裂衅卜国 距内表而的距离 图 横截面 内表面到基体的显微硬度 曲线 飞 钎杆缺陷试样横截 面由内 表面到基体到外表面 的显微组织见图 内表层组 织为较细的回火马氏体组织 , 随后的次表层为马氏 体, 基体和外表面以板条束状 贝氏体为主 纵剖面夹杂物 由 于 夹 杂 物 的 存 在 造 成 材 料 的 断 裂 失 效 是 很 常 见 的 , 因 此 利 用 扫 描 电镜 观 察 了 咒 钎 杆缺 陷试 样纵 剖 面上 的夹 杂物 , 取 样示意 图见 图 在纵 剖面上 , 由 钎杆外表面到 内表面发现 了图 的夹杂物 夹杂物 呈不规则形状 , 最大长度约 为 以 卜 由能谱分析可知为钦的化合物夹杂 夹杂物 近似
第5期 朱洪武等：22Si2 MnCrNi:2MoA钎杆断裂失效分析 615· 呈圆形，最大直径约为6m,由能谱分析可知为氧 为氧化物和硫化物的复合夹杂，主要是Al2O3、Ca0 化物夹杂，主要是Al2O3、Ca0和MgO.夹杂物3近 等 似呈圆形，最大直径约为13m,由能谱分析可知 (b) 2 um 24m 2 um 2μm 图4试样横截面内表面到外表面的显微组织.(a,(b)内表面：(c,(d)过渡区：(e)基体：()外表面 Fig.4 Micrographs of the sample from the inside surface to the outside surface on the cross section:(a),(b)inside surface;(c). (d)transition area;(e)matrix;(f)outside surface (a) (b) ●2 24m 104m 10m 2.5 (d) 2.2 0.001 1() 1 2.0 (e) 2 1.8 2.0 800 1.6 1.4 品 (3 1.5 1.2 600 誉 1.0 1.0 0.8 0.6 0.5 0.4 200 0 0 0.0 0.2 0.0克图 01 2 8 10 2 4 6 10 2 4 10 能量/keV 能量/keV 能量/keV 图5试样纵削面上夹杂物形貌及能谱图.(a),(d)夹杂物1：(b).(e)夹杂物2：(c),()夹杂物3 Fig.5 Micrographs and energy spectra of inclusions on the longitudinal section of the sample:(a),(d)Inclusion 1:(b),(e) Inclusion 2;(c),(f)Inclusion 3
第 期 朱洪武等 钎杆断裂失效分析 · · 呈 圆形 , 最大直径约为 卜 , 由能谱分析可知为氧 化物夹杂, 主要是 、 和 夹杂物 近 似呈圆形 , 最大直径约为 卜 , 由能谱分析可知 为氧化物和硫化物的复合夹杂, 主要是 、 等 图 试样横截面 内表面到外表面的显微组织 , 内表面 , 过渡区 基体 外表面 罗 王 , , 」 引上卫们川月丫土引十式科卜﹃ 注山占曰︹︺门曰︸ 下州铡袭︵︶, 只勺白曰八︵︶ 六另侧琐︵︶ 刁合` 明以 物 。。巍 州 一, 浏 , 珑` 羞燕翼冷簌 又 聆 产叫肠, , 一仲一一 〔川 杆辉一 泊尸子苦甲叫卜钾 介, , 尸, 〔 能量 夹杂物 , 能量 能量 、 图 试样纵剖面上夹杂物形貌及能谱 图 夹杂物 夹杂物 , 灯 ,
,616 北京科技大学学报 第35卷 通过扫描电镜分析发现，22Si2 MnCrNi2MoA钎 为了进一步明确疲劳源的位置以及产生原因， 杆缺陷样的纵剖面上观察到的夹杂物主要有氧化物 利用扫描电镜观察了图6所示断裂面上断裂 夹杂、氧化物和硫化物的复合夹杂、钛的化合物夹 处1、2、3和4这四个区域的扫描电镜微观 杂等，这些夹杂物尺寸为3~13m,这些夹杂物周 形貌 围也没有明显的裂纹， 断裂处1的扫描电镜形貌如图7所示.断裂处 2.3 断口形貌 1存在以A、C为圆心的一簇波纹状的疲劳弧线，根 从缺陷样的宏观形貌（图6）观察，该钎杆缺陷 据疲劳弧线的走向判断，此处的断裂起源于断裂处 样断口内表面有很多沿径向的放射状的宏观疲劳裂 1的A和C两个位置，疲劳裂纹由纤杆的内表面沿 纹.进一步观察发现，该缺陷样壁厚不均，最大壁 着图7箭头所示方向向外表面扩展延伸.A和C两 厚约为8.8mm,最小壁厚约为6.6mm,壁厚相对 处断裂源处的扫描电镜微观形貌为韧窝形貌；B、D 较薄区域的疲劳裂纹更为密集.整个断裂面上，右 和E三处均处于疲劳裂纹的扩展区，其微观形貌 下方靠近外表面处最为粗糙不平，应为该钎杆缺陷 为韧窝和沿晶的混合形貌.可见，断裂处1的疲 样最后发生瞬断时形成的 劳源A、C两处疲劳裂纹在起源、扩展过程中，其 微观形貌呈现出由韧性断裂特征向脆性断裂特征的 变化. 断裂处2的扫描电镜形貌如图8所示.断裂处 2存在以F、H为圆心的一簇波纹状的疲劳弧线，根 据疲劳弧线的走向判断，此处的断裂起源于断裂处 2的F和H两个位置，疲劳裂纹由纤杆的内表面沿 着图8箭头所示方向向外表面扩展延伸，F和H两 处断裂源处的微观形貌为韧窝形貌：G和I两处位 图6断口宏观形貌 于疲劳裂纹的扩展区，其微观形貌为韧窝和沿晶的 Fig.6 Photo of the fracture 混合形貌 1mm 20μm 201m 1001m 20μm 20m 图7断裂处1的扫描电镜像 Fig.7 SEM images of Rupture 1 断裂处3的扫描电镜形貌如图9所示.断裂处线的走向判断，此处的断裂起源于断裂处3的J这 3观察到一条贯穿内外表面的长裂纹，该长裂纹位 个位置，疲劳裂纹由钎杆的内表面沿着图9箭头所 于壁厚较薄处，此处壁厚约为7.4mm,重点观察了 示方向向外表面扩展延伸.断裂源J处的扫描电镜 以J为圆心的一簇波纹状的疲劳弧线，根据疲劳弧 微观形貌为韧窝形貌.K和L两处位于疲劳裂纹的
· · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 通过扫描 电镜分析发现 , 钎 杆缺陷样的纵剖面上观察到的夹杂物主要有氧化物 夹杂 、氧化物和硫化物的复合夹杂 、钦 的化合物夹 杂等 , 这些夹杂物尺寸为 卜 , 这些夹杂物周 围也没有 明显的裂纹 断 口形貌 从缺 陷样的宏观形貌 图 观察, 该钎杆缺陷 样断 口内表面有很多沿径向的放射状的宏观疲劳裂 纹 进一步观察发现 , 该缺陷样壁厚不均 , 最大壁 厚约为 , 最小壁厚约为 , 壁厚相对 较薄区域 的疲劳裂纹更为密集 整个断裂面上, 右 下方靠近外表面处最为粗糙不平 , 应为该钎杆缺陷 样最后发生瞬断时形成的 图 断 口宏观形貌 · 为了进一步明确疲劳源 的位置 以及产 生原因 , 利 用 扫描 电镜 观 察 了图 所 示 断裂 面上 断 裂 处 、 、 和 这四个 区域的扫 描 电镜微 观 形貌 断裂处 的扫描电镜形貌如图 所示 断裂处 存在以 、 为圆心的一簇波纹状 的疲劳弧线 , 根 据疲劳弧线的走向判断, 此处的断裂起源于断裂处 的 和 两个位置 , 疲劳裂纹 由钎杆的内表面沿 着 图 箭头所示方 向向外表面扩展延伸 和 两 处断裂源处的扫描 电镜微观形貌为韧窝形貌 、 和 三处均处于疲劳裂纹的扩展 区, 其微观形貌 为韧窝和沿晶的混合形貌 可见, 断裂处 的疲 劳源 、 两处疲劳裂纹在起源 、扩展过程中, 其 微观形貌呈现出由韧性断裂特征 向脆性断裂特征的 变化 断裂处 的扫描 电镜形貌如 图 所示 断裂处 存在以 、 为圆心的一簇波纹状的疲劳弧线 , 根 据疲劳弧线的走 向判断, 此处的断裂起源 于断裂处 的 和 两个位置, 疲劳裂纹 由钎杆 的内表面沿 着图 箭头所示方向向外表面扩展延伸 和 两 处断裂源处的微观形貌为韧窝形貌 和 两处位 于疲劳裂纹的扩展 区, 其微观形貌 为韧窝和沿晶的 混合形貌 图 断裂处 的扫描电镜像 断裂处 的扫描电镜形貌如图 所示 断裂处 观察到一条贯穿内外表面 的长裂纹, 该长裂纹位 于壁厚较薄处, 此处壁厚约为 , 重点观察 了 以 为圆心 的一簇波纹状的疲劳弧线 , 根据疲劳弧 线的走 向判断, 此处的断裂起源于断裂处 的 这 个位置 , 疲劳裂纹 由钎杆的内表面沿着图 箭头所 示方 向向外表面扩展延伸 断裂源 处的扫描 电镜 微观形貌为韧窝形貌 和 两处位于疲劳裂纹的
第5期 朱洪武等：22Si2 MnCrNi2MoA钎杆断裂失效分析 617, 扩展区，其微观形貌为韧窝和沿晶的混合形貌：对 裂纹扩展过程中裂纹扩展速率不同时微观机制不同 比K和L两处的微观形貌，其明显呈现了疲劳裂有关 纹扩展区两个不同阶段的沿晶韧窝形貌，这主要与 1 mm 1001m 204m 1 mm 1004m 100m 图8断裂处2的扫描电镜像 Fig.8 SEM images of Rupture 2 1 mm 100m 20m 204m 图9断裂处3的扫描电镜像 Fig.9 SEM images of Rupture 3 断裂处4的扫描电镜形貌如图10所示.断裂 域的疲劳弧线间距不等，靠近内表面间距较小，疲 处4观察到了以M为圆心的一簇波纹状的疲劳弧 劳弧线较为致密，而靠近外表面间距较大，疲劳弧 线，根据疲劳弧线的走向判断，此处的断裂起源于 线较为稀疏.断裂源M处的扫描电镜微观形貌为韧 断裂处4的M这个位置，疲劳裂纹由钎杆的内表面 窝形貌；N处位于疲劳裂纹的扩展区，其微观形貌 沿着图10箭头所示方向向外表面扩展延伸：该区 为韧窝和沿晶混合形貌
第 期 朱洪武等 钎杆断裂失效分析 扩展区, 其微观形貌为韧窝和沿晶的混合形貌 对 比 和 两处的微观形貌, 其明显呈现 了疲劳裂 纹扩展区两个不 同阶段的沿 晶韧窝形貌, 这主要与 裂纹扩展过程中裂纹扩展速率不同时微观机制不同 有关 图 断裂处 的扫描电镜像 入 图 断裂处 的扫描电镜像 入 一 断裂处 的扫描 电镜形貌如图 所示 断裂 处 观察到 了以 为圆心的一簇波纹状的疲劳弧 线, 根据疲劳弧线的走 向判断, 此处的断裂起源于 断裂处 的 这个位置, 疲劳裂纹由钎杆 的内表面 沿着 图 箭头所示方 向向外表面扩展延伸 该区 域的疲劳弧线间距不等, 靠近内表面间距较小, 疲 劳弧线较为致密, 而靠近外表面 间距较大 , 疲 劳弧 线较为稀疏 断裂源 处的扫描 电镜微观形貌为韧 窝形貌 处位于疲 劳裂纹的扩展区, 其微观形貌 为韧窝和沿晶混合形貌
.618 北京科技大学学报 第35卷 1004m 图10断裂处4的扫描电镜像 Fig.10 SEM images of Rupture 4 3讨论 同时存在的应力状态下持续工作，壁厚较薄处优先 3.1断裂原因 断裂，最终导致钎杆的断裂失效 首先，通过对该钎杆组织状态和硬度分布分析 3.2疲劳裂纹起源和扩展 可知，该钎杆内表面有渗碳层，深度约为0.8mm, 22Si2 MnCrNi2IoA钎杆内螺纹处疲劳破坏起 外表面无渗碳层，基体和外表面的组织以板条束状 源于内表面，属于多源的疲劳断裂，说明纤杆在工 贝氏体为主，适合作为钎杆的基体组织3.可见， 作中承受的交变载荷很大，应力集中位置也很多， 该钎杆组织并没有任何异常，能很好地满足钎杆工 即应力集中系数大.疲劳源处有很大的韧窝存在， 作条件对组织的要求. 呈现出韧性断裂的特征，即疲劳源处承受了很大 其次，通过对纵剖面夹杂物观察可知， 的塑性变形.塑性变形的本质是位错的运动.由于 22Si2 MnCrNi2MoA钎杆缺陷样内螺纹处的纵剖面 钎杆在内螺纹处过渡变化导致了滑移的不对称性， 上观察到的夹杂物主要有氧化物夹杂、氧化物和 造成滑移带的挤入和挤出.可见，该钎杆疲劳裂纹 硫化物的复合夹杂、钛的化合物夹杂等，这些夹 起源于滑移变形，而利用疲劳裂纹沿驻留滑移带 杂物尺寸为3~l3m,并没有观察到大尺寸夹杂 (PSB)萌生机制H-来解释该钎杆疲劳裂纹的萌 物的存在，这些夹杂物周围也没有明显的裂纹.同 生有待进一步的研究 时，在23节中，在对多处疲劳源区观察中并没有 疲劳裂纹扩展的微观模式受材料的滑移特性、 找到明显的夹杂物.由此可知，22Si2 MnCrNi2MoA 显微组织特征尺寸、应力水平、裂纹尖端塑性区尺 钎杆内螺纹处断裂破坏并不是由夹杂物引 寸等强烈影响.疲劳裂纹扩展行为与裂纹萌生后形 起的 成的初始微观疲劳裂纹扩展行为有很大差异[6-10， 其遵循经典的Paris公式.Paris等川提出疲劳 在使用环境方面，在凿岩过程中，螺纹钎杆主 要承受轴向的高频压缩压力和高频拉伸应力.因 裂纹扩展速率da/dN与应力强度因子范围△K呈 幂律关系： 此，纤杆是处在高频应力、严重内外耗同时存在的 da 应力状态下工作，从而造成了钎杆的断裂. dN =C(△K)m. (1) 通过对断口形貌扫描电镜分析可知，该 式中：dn/dN为疲劳裂纹扩展速率；a为裂纹长 22Si2 MnCrNi2MoA纤杆内螺纹处疲劳破坏起源于 度：V为循环次数；△K=KmaX-Kmin,Kmax和 纤杆内表面，疲劳源很多，如2.3节中A、C、F、H、J Kmn分别为一个应力循环中的应力强度因子的最 和M.该缺陷样壁厚不均，壁厚相对较薄区域的疲 大值和最小值：C和为材料常数，与材料、循环 劳短裂纹更为密集，壁厚较薄处优先断裂，如图9 频率、波形，环境等因素有关裂纹尖端的应力强 中断裂处3的贯穿壁厚的长裂纹就位于壁厚较薄 度因子幅△K为 处.这主要是因为在轴向的高频压缩压力和高频拉 伸应力的交变载荷作用下，容易产生受力不均，壁 △h=△aVπaF. (2) 厚较薄处极易成为受力薄弱区，疲劳裂纹更倾向于 在壁厚较薄处优先形成，从而致使壁厚较薄处优先 式中：△a为应力幅，即最大应力omax与最小应力 断裂，最终导致钎杆断裂失效. mim之差；为裂纹的形状因子. 综上所述，该22Si2 MnCrNi22MoA钎杆内螺纹 疲劳弧线是由于载荷谱变化而在断裂面上留 处壁厚较薄且壁厚不均，在高频应力、严重内外耗 下的裂纹扩展瞬时前沿线，它的法线方向即为该点
· · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 图 断裂处 的扫描电镜像 一 讨论 断裂原因 首先 , 通过对该钎杆组织状态和硬度分布分析 可知 , 该钎杆 内表面有渗碳层, 深度约为 , 外表面无渗碳层 , 基体和外表面的组织以板条束状 贝氏体为主, 适合作为钎杆的基体组织 可见, 该钎杆组织并没有任何异常 , 能很好地满足钎杆工 作条件对组织的要求 其 次 , 通 过 对 纵 剖面 夹 杂 物 观 察可 知 , 钎杆缺陷样 内螺纹处的纵剖面 上观 察到的夹杂物主要有氧化物夹杂 、 氧化物和 硫化物 的复合夹 杂 、 钦的化合物夹杂等 , 这些夹 杂物尺寸为 、 林 , 并没有观察到大尺寸夹杂 物 的存在 , 这些夹杂物周围也没有明显的裂纹 同 时 , 在 节中, 在对多处疲劳源区观察 中并没有 找到明显 的夹杂物 由此可知 , 入 钎 杆 内 螺 纹 处 断 裂 破 坏 并 不 是 由 夹 杂 物 引 起 的 在使用环境方面 , 在 凿岩过程 中, 螺纹钎杆主 要承受轴 向的高频压缩压力和高频拉 伸应 力 因 此 , 钎杆是处在高频应力 、严重内外耗 同时存在的 应力状态下工作 , 从而造成 了钎杆的断裂 通 过 对 断 口 形 貌 扫 描 电镜 分 析 可 知 , 该 钎杆 内螺纹处疲劳破坏起源于 钎杆 内表面 , 疲劳源很多, 如 节中 、 、 、 、 和 该缺陷样壁厚不均 , 壁厚相对较薄区域 的疲 劳短裂纹更为密集 , 壁厚较薄处优先断裂 , 如 图 中断裂处 的贯穿壁 厚的长裂纹就位于壁厚较薄 处 这主要是因为在轴 向的高频压缩压力和高频拉 伸应力的交变载荷作用下 , 容易产生受力不均 , 壁 厚较薄处极易成为受力薄弱区, 疲劳裂纹更倾 向于 在壁厚较薄处优先形成, 从而致使壁厚较薄处优先 断裂, 最终导致钎杆断裂失效 综上所述, 该 钎杆 内螺纹 处壁厚较薄且壁厚不均 , 在高频应力 、严重 内外耗 同时存在的应力状态下持续工作, 壁厚较薄处优先 断裂, 最终导致钎杆的断裂 失效 疲劳裂纹起源和扩展 咒 钎杆 内螺纹处疲劳破坏起 源于 内表面 , 属于多源的疲 劳断裂, 说 明钎杆在工 作 中承受的交变载荷很大 , 应力集 中位置也很多 , 即应力集中系数大 疲劳源 处有很大 的韧窝存在, 呈现 出韧性断裂的特 征, 即疲 劳源 处承受 了很大 的塑性变形 塑性变形的本质是位错 的运动 由于 钎杆在 内螺纹处过渡变化 导致 了滑移的不对称性, 造成滑移带的挤入和挤 出 可见 , 该钎杆疲劳裂纹 起源 于滑移变 形, 而利用疲劳裂纹沿驻 留滑移带 萌生机制 “一“ 来解释 该钎杆疲劳裂纹的萌 生有待进一步的研究 疲劳裂纹扩展的微观模式受材料的滑移特性 、 显微组织特征尺寸 、应力水平 、裂纹尖端塑性区尺 寸等强烈影响 疲劳裂纹扩展行为与裂纹萌生后形 成的初始微观疲劳裂纹扩展行 为有很大差异 “一` , 其遵循经典的 盯 公式 ` 等 川 提 出疲劳 裂纹扩展速率 与应 力强度因子范围 ■ 呈 幂律关系 兴一`“兀'`` 式 中 可 为疲劳裂纹扩展速 率 。 为裂纹 长 度 为循环次数 ■ 凡 、一,' , 和 凡 。分别为一个应力循环 中的应 力强度 因子的最 大值和最小值 和 ,乙为材料常数 , 与材料 、循环 频率 、 波形 、环境等因素有关 裂纹尖端的应力强 度 因子幅 ■ 为 ■ ■二训而 式 中 ■ 为应力幅, 即最大应力 。 、与最小应力 , 之差 为裂纹的形状 因子 疲 劳弧线 是由于载 荷谱 变化而在断裂面 上留 下的裂纹扩展瞬时前沿线, 它 的法线方 向即为该点
第5期 朱洪武等：22Si2 InCrNi2MoA钎杆断裂失效分析 ·619· 的疲劳裂纹扩展方向，因此疲劳弧线的间距即为在 参考文献 这一载荷谱下疲劳裂纹的扩展量.由式(1)和式(2) 推出的疲劳弧线间距的数学模型？可知，对于起 [1]Hong D L.Gu T H.Xu S G.et al.Drill Steel and Drilling Tools.Beijing:Metallurgical Industry Press,2000 源于同一位置的疲劳裂纹来说，随着疲劳裂纹的扩 (洪达灵.顾太和，徐潺光.等.钎钢与钎具.北京：冶金工 展，后一个疲劳弧线的间距比前一个疲劳弧线间距 业出版社.2000) 宽，即随着裂纹的扩展，疲劳弧线将不断地变稀疏 [2]Li B X.Failure analysis and fracture mechanism of the 图10断裂处4中起源于M位置的疲劳裂纹，其靠 thread drill rod.Rock Drill Mach Pneum Tools,1999(2): 近内表面疲劳弧线间距较小，而靠近外表面疲劳弧 55 线间距较大，即在裂纹扩展过程中，疲劳弧线的间 (黎炳雄。螺纹钎杆的失效分析和断裂机理.凿岩机械气动 距产生了急剧变化，由定量反推可知疲劳裂纹的打 工具.1999(2：55) 展速率发生了急剧变化.表明这两个区域的疲劳裂 (3]Li B X.The selection of the heat treatment process of drill 纹的扩展速率差异很大，两者明显分属于不同的疲 rod.Rock Drill Mach Pneum Tools,2009(4):51 (黎炳雄.钎杆热处理工艺的选择.凿岩机械气动工具， 劳裂纹扩展阶段：且断裂处4靠近内表面的疲劳弧 2009(4):51) 线间距与断裂处1、2和3中疲劳弧线间距差异不 4]Essmann U,Gosele U,Mughrabi H.A model of extrusions 大.因此，可以确定断裂处4靠近外表面区域应为 and intrusions in fatigued metals:I.Point-defect produc- 高扩展速率区，即为最后产生的瞬断区，从而进一 tion and the growth of extrusions.Philos Mag A,1981 步证实了22Si2 MnCrNi2MoA钎杆内螺纹处疲劳破 44(2:405 坏起源于内表面 [5]Ma B T,Laird C.Overview of fatigue behavior in copper 对于疲劳裂纹扩展的全过程，较为普遍地将疲 single crystals:I.Surface morphology and stage I crack initiation sites for tests at constant strain amplitude.Acta 劳裂纹扩展分为低扩展速率区（近门阀值）区、中等 Metal.1989,37(2):325 扩展速率区（稳态区）和高扩展速率区这三个阶段. [6 Endo M,McEvily A J.Prediction of the behavior of small 该钎杆断口起源区微观形貌为韧窝形貌，扩展区的 fatigue cracks.Mater Sci Eng A.2007,468-470:51 微观形貌为韧窝和沿晶的混合形貌，并没有观察到 [7 Krupp U,Diiber O,Christ H J,et al.Propagation mecha- 明显的疲劳条带.这种差异主要与疲劳裂纹扩展过 nisms of microstructurally short cracks:factors governing 程中微观机制的转变有关，随着疲劳裂纹的不断扩 the transition from short-to long-crack behavior.Mater 展，疲劳裂纹的微观机制逐渐由以韧性机制为主向 Sci Eng A.2007.462(1/2):174 以沿晶等脆断机制为主转变 [8]Sadananda K,Vasudevan A K,Kang I W.Effect of super- imposed monotonic fracture modes on the AK and Kmax 4结论 parameters of fatiguc crack propagation.Acta Mater, 2003,51(12):3399 (1)22Si2 MnCrNi2MoA钎杆内螺纹处断裂破坏 [9]Ma J,Sun Y.A microscopic mechanism model and quan- 并不是由组织异常和夹杂物引起的，而是由于钎杆 titive description of fatigue crack growth.Mater Sci Eng 内螺纹处存在明显的壁厚不均，在高频应力、严重 A,2003.355(1/2):14 内外耗同时存在的应力状态下持续工作，壁厚较薄 10]Zhang X P,Wang C H,Ye L,et al.A study of the crack 处极易成为受力薄弱区，疲劳裂纹更倾向于在壁厚 wake closure/opening behaviour of short fatigue cracks 较薄处优先形成，从而致使壁厚较薄处优先断裂， and its influence on crack growth.Mater Sci Eng A,2005, 最终导致钎杆断裂失效. 406(1/2):195 [11]Paris P C.Gomez M P,Anderson W E.A rational analytic (2)22Si2 MnCrNi2MoA钎杆内螺纹处疲劳破坏 theory of fatigue.Trend Eng,1961,13:9 起源于内表面，属于多源的疲劳断裂.起源区微观 12 Zhong Q P.Zhao Z H.Fractography.Beijing:Higher Ed- 形貌为韧窝形貌，扩展区的微观形貌为韧窝和沿晶 ucation Press,2006 的混合形貌 (钟群鹏，赵子华.断口学，北京：高等教育出版社，2006)
第 期 朱洪武等 钎杆断裂失效分析 的疲劳裂纹扩展方 向, 因此疲劳弧线 的间距 即为在 这一载荷谱下疲劳裂纹 的扩展量 由式 和式 推出的疲劳弧线间距 的数学模型 可知, 对于起 源于同一位置的疲劳裂纹来说, 随着疲劳裂纹的扩 展, 后一个疲劳弧线 的间距 比前一个疲劳弧线间距 宽, 即随着裂纹的扩展, 疲劳弧线将不断地变稀疏 图 。断裂处 中起源于 位置 的疲劳裂纹 , 其靠 近内表面疲劳弧线间距较小, 而靠近外表面疲劳弧 线间距较大 即在裂纹扩展过程中, 疲劳弧线的间 距产生 了急剧变化 , 由定量反推可知疲劳裂纹的扩 展速率发生了急剧变化 表明这两个区域 的疲劳裂 纹的扩展速率差异很大, 两者明显分属于不同的疲 劳裂纹扩展阶段 且断裂处 靠近 内表面的疲劳弧 线间距 与断裂处 、 和 中疲劳弧线间距差异不 大 因此, 可以确定断裂处 靠近外表面 区域应为 高扩展速率区, 即为最后产生的瞬断区, 从而进一 步证实了 钎杆内螺纹处疲劳破 坏起源于内表面 对于疲劳裂纹扩展的全过程 , 较为普遍地将疲 劳裂纹扩展分为低扩展速率 区 近 门阀值 区 、中等 扩展速率区 稳态区 和高扩展速率区这三个阶段 该钎杆断口起源区微观形貌为韧窝形貌 , 扩展区的 微观形貌为韧窝和沿晶的混合形貌, 并没有观察到 明显 的疲劳条带 这种差异主要与疲劳裂纹扩展过 程中微观机制的转变有关, 随着疲劳裂纹的不断扩 展, 疲劳裂纹的微观机制逐渐 由以韧性机制为主 向 以沿 晶等脆断机制为主转变 参 考 文 献 结论 钎杆 内螺纹处断裂破坏 并不是 由组织异常和夹杂物引起 的, 而 是由于钎杆 内螺纹处存在 明显 的壁厚不均 , 在高频应力 、严重 内外耗 同时存在 的应力状态下持续工作, 壁厚较薄 处极易成为受力薄弱区, 疲劳裂纹更倾 向于在壁厚 较薄处优先形成, 从而致使壁厚较薄处优先断裂 , 最终导致钎杆断裂 失效 , 〕 钎杆 内螺纹处疲劳破坏 起源于 内表面, 属于多源的疲 劳断裂 起源区微观 形貌 为韧窝形貌 , 扩展区的微观形貌为韧窝和沿晶 的混合形貌 』 , 汽 代 几夕 、 , 洪达灵, 顾太和, 徐曙光, 等 钎钢与钎具 北京 冶金工 业出版社 无 , 。二 , 黎炳雄 螺纹钎杆的失效分析和断裂机理 凿岩机械气动 工具 性 工 歌 · 人 · 对 二二 , 黎炳雄 钎杆热 处理工艺的选择 凿岩机械 气动工具, 、 , 一 乞 夕 , , 人 , , , 、 , 一 , , 对 亡 · , 乙夕 , , 一 , 位 , , , 一 一 亡 ` 了`夕 , , , , 、 ■ 几 , , 一 叼 , , , 、 , , , 、, , 、 、 叼 , , , , 一 孔 叩 , , 尸 叩 ' 尸 , 一 · , 钟群鹏, 赵子华 断口学 北京 高等教育出版社, 回