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