Ⅲ型载荷分量对不同显微组织套管钻井用钢断裂韧性的影响.pdf

第 4 3 卷 2 0 1 5年 9月 第 9期 第 6 6 7 3页 材 料 工 J o u r n a 1 o f Ma t e r i a l s 程 Eng i ne e r i n g Vo 1 ．4 3 NO． 9 Se p ． 2 01 5 P P． 66 7 3 I I I 型载荷分量对不同显微组织套管 钻井用钢 断裂韧性 的影 响 I nf l u e nc e o f M o d e I I I Lo a d Co mp o ne nt o n Fr a c t u r e To ug hn e s s o f Ca s i n g d r i l l i n g St e e l s wi t h Di f f e r e nt M i c r o s t r u c t ur e s 许天旱 ， 冯耀荣。 1西安石 油大 学 材 料科 学与工 程学 院 ， 西 安 7 1 0 0 6 5 ； 2中国石油 集 团 石油 管工程 技术 研究 院 ， 西安 7 1 0 0 6 5 XU Ti a n ha n ． FENG Ya o r on g 0 1 Co l l e g e o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g ． Xi ’ a n S h i y o u Un i v e r s i t y， Xi ’ a n 7 1 0 06 5， Chi na；2 CNPC Tub ul a r Go o ds Re s e a r c h I ns t i t u t e， Xi ’ a n 7 1 0 06 5， Chi na 摘要 利用疲劳试验机及 S E M 研究 三种 不 同显 微组织 套管钻 井钢 i ／ i i i 复合 型 断裂韧性 。结果 表 明 珠光 体一 铁素 体 P F 钢和铁素体一 贝氏体一 回火马 氏体 F B M 钢 的 ， t均随着 I I I 型分 量增加先 略有增加 ， 然后 单调下 降， 而 回火马 氏体 T M 钢则呈单调下降趋势 ， 这归因于不同显微 组织 构成导致 不同断 口形 貌 。同时 发现 ， 在 不 同 I I I 型 载荷分量下 ， TM 钢均具有 最大的 ， t ， P F钢均具有最小的 J ， F B M 钢居 中。对于三种 钢 ， ， 和 J 之间均具 有线性关 系 ， 且 材料强 度越 高 ， 线性 系数越小 ， 更容易在剪切载荷下发生断裂 。 关键 词 套管钻井用钢 ； 显微组织 ； 断裂韧性 ； 1 ／ 1 I I 复合型 ； 断 口形貌 d o i 1 0 ． 1 1 8 6 8 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 3 8 1 。 2 0 1 5 。 0 9 ． 0 1 1 中图分类号 T G1 1 3 ． 2 5 ； T G1 1 5 ． 5 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 4 3 8 1 2 0 1 5 0 9 0 0 6 6 - 0 8 Ab s t r a c t Th e mi x e d mo d e I ／ I I I f r a c t u r e t o u g h n e s s o f c a s i n g d r i l l i n g s t e e l s wi t h d i f f e r e n t mi c r o s t r u c t u r e s wa s i n v e s t i g a t e d b y me a n s o f f a t i g u e t e s t e r s a n d S EM．Th e r e s u l t s s h o w t h a t J T o f b o t h PF a n d FBM s t e e l s f i r s t l y s l i g ht l y i nc r e a s e wi t h t he i nc r e a s e o f mod e I I I l o a d c o mpo ne nt a n d t he n d e c r e a s e c o nt i nu ous l y，whe r e a s t ha t o f TM s t e e l de c r e a s e s mo no t o n i c a l l y，wh i c h c a n h e a t t r i b ut e d t o t he d i f f e r e n t f r a c t u r e s u r f a c e mo r p h o l o g y r e s u l t i n g f r o m t h e r e ma r k a b l e d i f f e r e n t mi c r o s t r u c t u r e ． M e a n wh i l e ，i t c a n b e f o u n d t h a t TM s t e e l p o s s e s s e s t h e ma x i mu m J T a n d P F s t e e l p o s s e s s e s t h e mi n i mu m J T，r e s p e c t i v e l y ，t h a t o f FB M i s i n t h e mi d d l e u n d e r d i f f e r e n t mo d e I I I l o a d c o mp o n e n t s ． F o r t h e t h r e e s t e e l s ，J I a n d JI I I e x h i b i t l i n e a r r e l a t i o n s h i p ，a n d t h e h i g h e r t h e s t r e n g t h，t h e l o we r t h e l i n e a r c o e f f i c i e n t，t h e e a s i e r t o o c c u r f r a c t u r e u nd e r s he a r i ng l oa d． Ke y wo r d s c a s i n g d r i l l i n g s t e e l ； mi c r o s t r u c t u r e ； f r a c t u r e t o u g h n e s s ； mi x e d mo d e I ／ I I I ； f r a c t u r e mo t p ho l o gy 断裂机制作为一种理论得到不断发展 ， 许多参数 都可用来表征失稳条件 ， 然而， 几乎所有工作都集 中在 研究 I 型 断 裂 方 面 ] 。但 在 实 际 工 况 中 ， 材 料 受 到 的不仅仅是 I 型载荷 ， 而是处于复杂的应力状态 。套 管钻井作为一种新技术 ， 主要用 于解决钻井过程的稳 定性及降低钻 井成本问题_ 4 ] ， 随着套管钻井 技术的 发展， 套管所面临的环境越来越苛刻 ] 。这是 因为在 套 管钻井 过 程 中 ， 套管 除 了固井 同时兼 有钻井 的作 用 ， 导致套管及其接箍被置于一种复杂 的动载工况下 ， 同 时承受拉伸载荷 和扭转载荷 ， 且 随着钻进深度不 同， I 型载荷不断增加 ； 同时随着岩层结构及地质结构的不 断变化 ， I I I 型载荷也会发生不规则变化[ 7 ] ， 因此研究 I ／ I I I 复合载荷对套管钻井用钢断裂韧性的影响是十 分必要 的 。 尽管国内外专家对部分材料的 i ／ i n复合型断裂 韧性 也作 过一定 研 究 ， 但 实 验 结 果 显 示 ， I I I型载 荷 叠 加对 材 料 断 裂 韧 性 的 影 响 不 会 呈 现 出 单 一 的 趋 势 ] 。I I I 型载荷 的叠 加 ， 在 一些 材料 中， 断裂 韧性 呈 现 出急剧 减小 的趋 势 ， 而在 另 外 一些 材 料 中则影 响甚 微 ， 甚至呈现 出增加 的趋势口 。因此 ， 需要选择不 同 第 4 3卷第 9期 I I I 型载荷分量对不 同显微组织套管钻井用钢断裂韧性 的影 响 7 1 发 现 一 致 性 较好 ， 线性 相 关 系 数 为 0 ． 9 9 ， 标 准偏 差 为 0 ． 0 2 7 ， 拟合线性关系式见式 8 式中 a为 JⅢ和 J 。 之间的 比例系数； 为屈 服强 度 ， M Pa。 E 、- 一 、_ 由上 述可 得 材 料强 度 越 高 ， J m和 J 之 间 的 比例 系数越小 ， 材料的 ‘ ， 越容易呈现出单调下降趋势 ， 且 材料更容易 以 I I I型载荷 为断裂控制机制 ， 更 容易在 剪切载荷下发生断裂 ， 同时， J 和 J m之间线性相关性 越 高 。 图 8 不 同显微组织钢 J I 和 J m之间的关系 a P F钢 ； b F B M 钢 ； c T M 钢 Fi g ．8 Re l a t i o n s h i p o f J J a n d J J 】 j o f t h e d i f f e r e n t mi e r o s t r u c t u r e s s t e e l s a PF s t e e l ； b F BM s t e e l ； c TM s t e e l c rJ MP a 图 9 J m和 J 1 之间 的比例系数与抗拉强度之间的关系 Fi g ． 9 Re l a t i o ns h i p o f t e ns i l e s t r e n g t h a n d p r 0 p o r t i o n a l i t y c o e f f i c i e nt o f Jll I a n d Jl 尽管在本研究 中没有对纯 I I I 型载荷的断裂韧性 进行实验 ， 但其值根据图 8中 m和 J 之 间拟合直线 的外延线可以估算 出， 这种估算 的准确性在相关文献 中已得到验证 。经估算发现， P F钢、 F B M 钢及 TM 钢在纯 I I I 型载荷下 的断裂韧性分别为 1 8 ． 8 2 ， 3 3 ． 5 9 ， 5 2 ． 9 6 k J ／ m 。相 比纯 I 型 载荷 分 别 降低 了 2 7 ， 3 2 9 ／ 6 和 6 6 ， 这与材料 的断裂韧性 断 口也是一致 的， 随着 I I I 型 载荷 分量 的增加 ， P F钢 的断 口形 貌变 化 不大 ， 而 TM 钢的断 口形貌发生 了显著的变化。F B M 钢 的形 貌变化居 中。这说明， 在这三种不同显微组织钢中， 若 按照纯 I 型载荷设计 ， P F钢更能经受得起载荷类型的 转 变 。 2 ． 3 I I I 型载 荷分 量对 断 口形貌 的影 响 P F钢 在不 同 I I I 型 载荷 分 量 作 用 下 的 断 口形 貌 如 图 1 0所示 ， 在纯 I 载荷 下 ， 断裂 韧性 的形 貌 没有 明 显 的韧性 特征 ， 更类 似 于疲劳 裂纹 初期 的山脊状 特征 ， 该特征在 P F钢和 TM 钢纯 I型载荷下都能看到 ， 这 与文献[ 2 2 ] 中对 8 3 4钛合金 的研究类 似。从图 1 o中 也 可 以看 出 ， 随着 I I I 型 载荷 分 量 的增 加 ， 断 口形 貌 发 生 明显 的变 化 。 尽管如图 3所示 ， 当 I I I 型载荷分量从 声 一0 。 增加 到 ≠ 一1 5 。 ， 断裂韧性呈现增加趋势 ， 但断 口形貌的变化 并 不 能解 释这一 现 象 ， 图 1 O中可 以看 到模 糊 的暗 斑 ， 这可 能与少 量 剪切 力作 用 下 的断 面 摩 擦有 关 ， 从 而 消 耗 了一定 能量 。 当 I I I 型 载 荷 分 量从 一 1 5 。 增 加 到 一3 0 。 ， 断口形貌发生显 著的变化 ， 可以看到断 口上 出 现明显的撕裂棱 ， 两条平行 的撕裂棱之 间呈现类似解 理的脆性断裂特征 ， 这种脆性断裂特征通常会消耗更 少 的能量 ， 这 与 图 7 a 所示 ， 当 I I I 型载 荷 分 量 从 一 1 5 。 增加到 一3 0 。 时 ， J 开始降低是一致 的。随着 I I I 型载荷 分量 的继 续增 加 ， 尽 管 断 裂 表 面仍 然 有 大 量 的 脆性解理， 但发现类 似撕裂棱 的形貌增 加 ， 这 与 图 7 a 所示 ， 当 I I I 型载荷分量从 声 一3 0 。 增加到 声 一4 5 。 时， J 略有增 加也 是一 致 的 。随着 I I I 型载荷 分 量 的继 续 增 加 ， 在 P F钢 声 一6 O 。 时 的 断 口上 可 以发 现 明显 的 台 阶形貌 ， 且每个 台阶表 面都很平整 ， 如图 1 0 e 所示。 这 种形 貌赋 予 P F钢更低 的断裂韧 性值 。 F B M 钢在 不 同 I I I型 载 荷 分 量 作 用 下 的 断 口形 貌， 总体变化趋势与 P F钢的断 口形貌变化相似， 但不 同 I I I 型载荷下的形貌变化更加显著 。在 TM 钢中的 断 口中， 同样能够发现解理台阶 ， 不过解理台阶要更均 匀 ， 更 细小 。因此 ， 尽 管 TM 钢 的 断裂 韧 性 随 I I I型载 荷分 量 的增 加 降低 最 明显 ， 但 始 终 明 显大 于 P F钢 和 F BM 钢 。 第 4 3卷第 9期 I I I 型载荷分 量对不同显微组织套管钻井用钢断裂韧性 的影 响 7 3 [ 9 ] [ 1 0 ] [ 1 I ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 4 ] [ 1 5 ] [ 1 6 ] [ 1 7 ] 52 O 卜一2 Z 9 3 5 ． PARADKAR A G ， KAM AT S V． Fr a c t u r e t o u g h n e s s o f Ti 一 1 5 AI 一 8 Nb a l l o y u n d e r mi x e d mo d e I ／ I I I l o a d i n g [ J ] ． Ma t e r i a l s S e i e n c e a n d En g i ne e r i n gA，2 0 1 1，5 2 8 9 3 2 8 3 3 2 8 8 ． KAMAT S V．S RI NI VAS M ，RAMA R P．Mi xe d mo d e I ／ I I I f r a c t u r e t o u g h n e s s o f Ar mc o i r o n [ J ] ．Ac t a Ma t e r i a l i a ，1 9 9 8 ， 4 6 1 44 9 8 5 4 9 9 2 ． XU T H ，FENG Y R，S ONG S Y，e t a 1 ．Fa t i g ue c r a c k p r o p a ga t i o n b e h a v i o u r o f s t e e l w i t h d i f f e r e n t mi c r o s t r u c t u r e s [ J ] ． Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d En g i n e e r i n gA ， 2 0 1 2，5 5 11 1 O一 1l 5 ． KUMAR A M ，HI RTH J P，H0AGLAND R，e t a 1 ．A s u gg e s t e d t e s t p r o c e d u r e t o me a s u r e m i x e d m o d e I - I I I f r a c t u r e t o u g h n e s s o f b r i t t l e ma t e r i a l s [ J ] ．J o u r n a l o f T e s t i n g a n d E v a l u a t i o n ， 1 9 9 4，2 2 4 3 2 7 3 3 4 ． LU M X，ZHENG X I ．A n e w m i c r o c o m p u t e r a i d e d s y s t e m f o r me a s u r i n g f a t i g u e c r a c k p r o p a g a t i o n t h r e s h o l d a n d s e l e c t i n g t e s t i n g p a r a me t e r s [ J ] ．E n g i n e e r i n g Fr a c t u r e Me c h a n i c s ， 1 9 9 3 ，4 5 6 8 8 9 8 9 6 ． S 1 0W K S，M AN0HARAN M ．M i x e d mo d e f r a c t u r e t o u g h ne s s o f l e a d t i n a n d t i n s i l v e r s o l de r i o i n t s wi t h n i c k e l pl a t e d s u bs t r a t e [ J ] ．Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g A，2 0 0 5 ，4 0 4 1 2 2 4 4 2 5 0 ． TUMA J V． I o w t e mp e r a t u r e t e ns i l e p r o p e r t i e s ， n o t c h a n d f r a c t u r e t o u g h n e s s o f s t e e l s f o r u s e i n n u c l e a r p o w e r p l a n t E J ] ． Nu c l e a r En g i n e e r i n g a n d De s i g n，2 0 02，2 1 1 2 3 1 0 5 一 n 9 ． TORI BI O J，MATOS J C．GONZ ALEZ B．Mi c r o a n d ma c r o a p p r o a c h t o t h e f a t i g u e c r a c k gr owt h i n p r o g r e s s i v e l y d r a wn p e a r l i t i c s t e e l s a t d i f f e r e n t R r a t i o s [ J ] ．I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Fa t igu e ，2 0 0 9，3 1 1 1 1 2 2 0 1 4 2 0 2 1 ． LI L F，YANG W Y，SUN Z Q．Mi c r os t r u c t u r e e v o l u t i o n o f a [ 1 8 ] [ 1 9 ] [ 2 o ] [ 2 1 ] [ 2 2 5 p e a r l i t i c s t e e l d u r i n g h o t d e f o r m a t i o n o f u n d e r c o o l e d a u s t e n i t e a n d s u b s e q u e n t a n n e a l i n g[ J] ． Me t a l l u r g i c a l a n d Ma t e r i a l s Tr a ns a c t i o ns A ，2 0 0 8，3 9 3 6 2 4 6 3 5 ． S ALEM I A A ，ABDOLLAH Z A． Th e e f f e c t o f t e mp e r i n g t e rn p e r a t u r e o n t he m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d f r a c t u r e m o r p h o l o g y o f a Ni C r Mo V s t e e l [ J ] ．Ma t e r i a l s ch a r a c t e “ z a t i o n ，2 0 0 8 ，5 9 4 4 8 4 4 8 7 ． F E NG X X，KUMAR A M ，HI R TH J P ． Mi x e d mo d e I ／ I I I f r a c t u r e t o u g h n e s s o f 2 0 3 4 a l u min u m a l l o y s [ J ] ．Ac t a Me t a l l u r g i c a e t M a t e r i a l i a ，1 9 9 3，41 9 2 7 5 5 2 7 6 4 ． RAGHAVACHARY S， R0S ENF I EI D A R， HI RTH J P． Mi xe d mo d e i ／ i i i f r a c t u r e t o u gh n e s s o f a n e x p e r i me nt a l r o t o r s t e e l [ J ] ．Me t a l l u r g i c a l a n d Ma t e r i a l s T r a n s a c t i o n s A，1 9 9 0 ，2 1 9 2 5 3 9 2 5 4 5 ． KAMAT S V，HI RTH J P．Ef f e c t o f a g i n g o n mi x e d mo d e I ／ I I I f r a c t u r e t o u g h n e s s o f 2 0 3 4 a l u mi n u m a l l o y s [ J ] ．Ac t a Ma t e r i a l i a ，1 9 9 6，4 4 3 1 0 4 7 1 0 5 4 ． CHANDRA R B，S RI NI VAS M ，KAM AT S V． The e f f e c t o f mi x e d mo d e I ／ I I I l o a d i n g o n t h e f r a c t u r e t o u g h n e s s o f T i me t a l 8 3 4 t i t a n i u m a l l o y [ J ] ．Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g A， 2 00 8 ，4 7 6 1 2 1 6 2 1 6 8． 基金项 目 青 年 科技 创 新基 金 Z 1 2 1 8 0 ；陕 西 省重 点学 科 专 项资 金 Y8 3 2 0 3 0 2 0 3 收稿 日期 2 0 1 4 0 3 2 1 ； 修订 日期 2 0 1 5 - 0 3 2 6 通讯作者 许天旱 1 9 7 1 一 ， 男 ， 博士 ， 副教 授， 主要 从事材 料力学 性能 与表征的研究 ， 联系地址 陕西省 西安市 电子二 路 1 8号西 安石 油大学 材料科学与工程学院 7 1 0 0 6 5 ， E ma i l x u t i a n h a n x s y u ． e d u ． c n