Файл: Циклическая прочность и долговечность бурового инструмента..pdf

P cí с. 28. Внешний вид усгалост-иых изломов закаленных TB1I штанг,.раз­ рушившихся по стержню.

Точнее говоря, она состоит из сплошного поля питтингов и канавок. Эти питтинги и подобные им неровности имеют тенден­ цию располагаться прямолинейно, цепочками к краю трещины от одного центра, которым является очаг усталости. Для более глубокого изучения структуры усталостного разрушения и уста­

нение хромом, а затем излом покрывался жидким водным раствором желатина. В процессе сушки желатин, затвердевая, сцеплялся с угольной пленкой и после окончательного высыха-

94

нистом аммонии, воде и спирте угольная пленка высушивалась

зоне окончания роста усталостной трещины.

95

Рис. ЗО. .Микроструктура различных участков усталостного излома

96

На рис. 30а представлен участок излома вблизи очага ус­ талости. В изломе отчетливо видны следы сдвигов по плоско­ стям скольжения, однако без заметно выраженного рельефа. По-видимому, в первоначальный период роста трещины дефор­ мация металла в. трещине протекала под влиянием напряжений, не превышающих номинального значения, или даже ниже его. На рис. 30 (б, в) картина деформации резко меняется. В этот период трещина растет более интенсивно под влиянием значи­ тельно возросших по величине напряжений. Степень деформа­ ции металла в изломе достигает больших значений. По мере ускорения развития трещин наблюдается транскристалличес­ кие сколы металла с разрывом по границам блоков наряду с частичным расслоением по плоскостям скольжения. Эти раз­ рушения говорят о больших по величине напряжениях, дейст­ вующих в плоскости излома и особенно по фронту роста тре­ щины.

Причиной возникновения данных напряжении можно счи­ тать, с одной стороны, ослабление сечения штанги трещиной, а также гидродинамическими явлениями в трещине, заполняе­ мой в процессе развития водой.

Чтобы установить, как влияет упрочнение поверхности бу­ ровых штанг на сопротивление буровой стали ударно-усталост­ ному разрушению, несколько штанг от каждой партии, в том числе и обычных (закалка рабочих концов), протравливали по всей длине в реактиве Кешиена и определяли тем самым на­ личие в них очагов усталости. Данные эксперименты показали, что в поверхности буровых штанг партий 1—3, т. е. не подверг­ нутых поверхностной обработке, а также подвергнутых объем­ ной закалке, располагается большое количество усталостных трещин. Характер трещин, распространение по всей длине, а также их размеры, практически не отличаются от тех, которые выявлены в штангах и показаны на рис. 21. Обнаружены ана­ логичные трещины и в поверхности штанг, упрочненных, дробе­ струйной обдувкой, однако количество таких трещин значи­ тельно меньше. В штангах, подвергнутых индукционной поверх­ ностной закалке, усталостных поверхностных трещин не обна­ ружено.

В целях изучения механизма развития усталостных трещин, осуществляли измерение микротвердости по всей поверхности «усталостных глазков», включая и плоскость конечного разру­ шения штанги. Исследования микротвердости проводились од­ новременно, как на плоскости изломов конусов штанг (партии 1—4), так и на изломах стержня штанг, подвергнутых поверх­ ностной закалке (партия 6). Поверхность образцов тщательно шлифовалась и полировалась с соблюдением всех необходи­ мых требовании техники измерения микротвердости [139]. Для удаления с поверхности шлифов наклепа, который неизбежно

в какой-то степени возникает при шлифовке и полировке, по­ верхность их слегка протравливалась с последующим удалением продуктов травления вторичной полировкой на матерчатом кру­ ге. Измерение микротвердости определялось на приборе ПМТ-3. Нагрузка при измерении составляла 20 г. Микротвердость из­ мерялась по всей плоскости шлифов в двух взаимноперпенди­ кулярных направлениях по радиусам, совпадающим с осями симметрии «усталостного глазка». Результаты измерений мик­ ротвердости по плоскости усталостных изломов, разрушенных штанг представлены графиками (рис. 31). Как видно'из графиков, построенных по результатам исследований, мнкротвердость по плоскости усталостного излома штанг, как в конусе, так и в стержне имеет переменное значение. В топ части сечения, из­ лом которой произошел в заключительной стадии усталостно­ го разрушения, микротвердость имеет практически стабильное значение и соответствует твердости данного структурного сос­ тояния металла.

Однако непосредственно в плоскости усталостной трещины («глазка») микротвердость значительно возрастает и почти не изменяется в границах данной площадки, что, несомненно, сви­

ясь классификацией видов усталостных изломов, исследуемых Видманом Д. Н. [137] и Одингом И. А. [61], можно утверждать, что разрушение буровых штанг происходит с высокой ско­ ростью, обусловленной высокими по величине напряжениями при большом коэффициенте усталостной перегрузки.

Рис. 31. Изменение мнкротвердости по сечению усталостных изломов конуса (а) и стержня (б) буровых штанг.

98'

§ 3. Влияние поверхностного упрочнения на сопротивление буровых штанг ударно-циклическому нагружению

На основании результатов натурных ударно-усталостных испытаний можно сделать вывод о том, что наибольший эффект упрочнения оказывает штангам индукционная поверхностная закалка. Другие виды упрочнения, например, различные режи­ мы объемной закалки, а также дробеструйная обработка по­ верхности и обкатка роликами оказались малоэффективными. Долговечность буровых штанг, упрочненных данными способа­ ми (партии 2, 3, 4, 5), практически оказалась на уровне долго­ вечности обычных штанг, т. е. неуирочненных (партия 1).

Сравнительно низкое сопротивление усталостному разру-, шепию буровых штанг, подвергнутых объемной закалке, оказа­ лось не случайным. Эти результаты подтвердили данные более ранних исследований [77], согласно которым сквозная закалка штанг также не показала преимуществ, в сравнении с теми, у которых закаливались только концы:

Объемная закалка штанг приводит к значительному повы­ шению механических характеристик металла. Это видно из ре­ зультатов механических характеристик буровой стали, приве­ денных на графике (рис. 32).

■

7

нутое только объемной закалкой с соответствующим отпуском, оказывается недостаточным, чтобы существенно повысить стой­ кость штанг, очевидно, по той причине, что данная обработка

тает за счет наличия в максимально нагруженных поверхност­ ных волокнах остаточных напряжений обратного знака'. Сердцевина же штанги в целом испытывает значительно меньшие наг­ рузки. Поэтому прочность металла, полученная в указанной

99