17-4PH推靠头断裂失效分析

钱亚旺，田志宾，杨庚佳，王海朋，杨中娜，徐志刚，杨 阳

(1.中海油田服务股份有限公司，河北 廊坊 065000； 2.中海油(天津)管道工程技术有限公司，天津 300452)

机械设备的失效会出现多个零件断裂的情况，其失效模式往往是某个零件先发生断裂，造成所在的机械结构失去原有的功能，进而造成其他零件相继断裂[1-2]。因此，在机械设备的多零件断裂失效分析工作中，确定首断件成为重中之重。某海洋油田进行电缆测井作业时，发现井壁取心仪器推靠值偏大(推靠值为360 mm，215.9 mm井眼推靠正常值应为130 mm)，起出仪器后发现主推靠臂推靠头与连接螺钉发生断裂，断裂件如图1、图2所示，推靠头与螺钉均由17-4PH材质制成。文章通过多项理化试验对断裂件进行失效分析，确定推靠器失效模式并判定首断件。

图1 推靠器机构示意图Fig.1 Schematic diagram of propeller

(a) 断裂推靠头

(b) 完整螺钉(左)与断裂螺钉(右)

1 检验分析

1.1 断口分析

推靠头断口整齐干净无腐蚀产物，没有明显的塑性变形，如图3所示，断面上存在朝四周发散的放射棱线，在放射棱线的收敛处即为裂纹源，裂纹源位于推靠头U形豁口底面的亚表面。螺钉断口有典型的裂纹源区、开裂扩展区、瞬断区，断裂螺钉的螺纹牙根部有一外力损伤产生的凹坑，凹坑周围存在褶皱，为外力挤入造成基体材料挤压而形成。凹坑前沿是反复张合的磨痕，以此为源分布着密集的放射棱线。

如图4(a)、图4(b)所示，在断裂螺钉开裂扩展区的扫描电镜显微图像中，观察到以河流花样+解理台阶为代表的解理断裂特征，同时在开裂扩展区存在稀疏的疲劳条带，方向与裂纹源的放射棱线垂直。利用能谱仪测定源区的微区成分，未发现腐蚀性元素。根据上述显微形貌特征可判定螺钉失效模式为疲劳断裂[3]。

推靠头断面的扫描电镜图像观察到大量的河流花样以及解理台阶，据此可推断失效模式为一次性解理断裂，如图5所示。

(a) 推靠头断口(样品B)

(b) 推靠头断口(扫描电镜)

(c) 螺钉断口

(d) 螺钉断口裂纹源(扫描电镜)

(a) 开裂扩展区的解理特征

(b) 开裂扩展区的疲劳条带

(a) 河流花样

(b) 扩展区的疲劳条带

1.2 金相组织

断裂螺钉与推靠头基体金相组织均为马氏体+δ-铁素体，断裂螺钉的马氏体组织呈板条状，两者δ-铁素体均位于马氏体晶间，呈带状，如图6所示。

(a) 断裂螺钉金相组织

(b) 断裂推靠头金相组织

1.3 化学成分分析

分别在断裂螺钉与断裂推靠头切取试样进行化学成分分析，测试结果显示均符合GB/T 1220—2007对于17-4PH钢的技术要求，见表1。

表1 化学成分分析结果

1.4 硬度测试

对断裂的推靠头与螺钉的横截面试样进行洛氏硬度测试，结果见表2，螺钉的硬度值低于GB/T 1220—2007《不锈钢棒》中对于17-4PH钢的技术要求，推靠头硬度则符合标准要求(硬度≥40)。

表2 硬度测试结果(HRC)

2 结果分析

试验结果和分析表明，螺钉主要受剪切力与拉应力，当推靠器工作时螺钉受上述2种力组合的交变载荷。断口的微观形貌有典型解理花样、疲劳断裂特征：垂直于开裂源区放射棱线的疲劳条带，且开裂扩展区约占断面50%，可以确定螺钉的失效模式为疲劳断裂。开裂起源于螺钉螺纹根部的凹坑，此处应力集中效应明显，交变载荷的作用下凹坑产生塑性变形并萌生疲劳裂纹，随着时间的推移，裂纹不断扩展，直至断裂。螺钉松动会加速断裂。推靠头断口扫描电镜图像观察到大量的河流花样与解理台阶，上述两种微观特征均为解理断裂特点，据此推断推靠头断裂模式为解理断裂。

从机械结构特点分析，若推靠头首先断裂失效，U型推靠头无法使销轴按既定路线运动，推靠臂无法完成正常收放，此时螺钉不受力无法造成疲劳断裂，此种情况与螺钉疲劳失效的结果不符，因此推靠头不是首断件。其次，疲劳断裂非单次载荷造成的失效，从裂纹的萌生到断裂需要一定时间，往往疲劳断裂为首断件。根据上述推断，螺栓为此次推靠器失效的首断件。

17-4PH作为马氏体沉淀硬化不锈钢，根据其材料特性与理化试验结果来看，推靠头与螺钉的化学成分均符合标准。螺钉的平均硬度值低于标准要求下限，推靠头硬度值符合标准要求。17-4PH钢正常的金相组织为马氏体，断裂螺钉与推靠头金相组织均为马氏体+少量δ-铁素体。螺钉的金相组织为板条马氏体，晶粒尺寸大于推靠头。δ-铁素体的存在，降低了螺钉与推靠头的硬度，且破坏组织的连续性，为开裂提供了低能耗路径，开裂易于沿着铁素体扩展[4-6]。

3 结 论

推靠器结构中，螺钉是导致结构失效的首断件，推靠头为受害件；螺钉失效模式为承受交变载荷造成的疲劳断裂，推靠头失效模式为静载荷造成的一次性解理断裂；文章失效研究的螺钉与推靠头选用的17-4PH材料金相组织中除正常的马氏体组织外，存在带状的铁素体，铁素体的存在会破坏组织的连续性，造成材料的硬度与其他的力学性能下降。

为避免螺栓断裂，可从以下几个方面入手：如果空间足够，建议将螺栓改成双头螺栓；建议使用加厚垫圈，将原有连接螺栓加长；对机组进行应力幅或载荷测试及模拟计算。