книги из ГПНТБ / Циклическая прочность и долговечность бурового инструмента

Рис. 25. График - функции распре­ деления долговечности бу­ ровых штанг с различным упрочнением:

1 — объемная закалка ра­ бочих концов (хвос­ товика п конуса); объемная закалка всей штанги с по­ следующим высоким’

2 (улучшение) и 10—25% для штанг партии 3—4 (сквозная за­

поверхностная закалка) будут целиком работоспособны. Штан­

после любого из указанных видов упрочнения. Предельная от­

методом цементации и азотирования также повышает в некото­ рой степени циклическую прочность штанг в сравнении с обыч­ ной технологией (закалка хвостовика и конуса). Причем сле­ дует учесть, что большим достоинством химико-термической об­ работки является то, что она позволяет упрочнить не только внешнюю поверхность, но и промывочный канал (рис. 26). Азо­

цементации и азотирования оказались в результате испытаний все же менее долговечными, чем штанги, упрочненные поверх­ ностной индукционной закалкой, очевидно нельзя объяснить недостаточной эффективностью технологии химико-термической обработки.

В настоящее время установлено, что высокая эффективность химико-термической обработки достигается не только в резуль­ тате правильно выбранного температурного режима насыще­ ния и состава насыщающей среды, а, главным образом, в ре-

90

а

технологии химико-термической обработки, ,полученные резуль­ таты, по-видимому, нельзя считать окончательными. Чтобы добиться желаемого эффекта при химико-термическом упроч­

слоев металла после химико-термической обработки при удар­ ном нагружении. При этом следует решить вопрос о рациональ­ ной геометрии отдельных элементов штанг с тем, чтобы устра­ нить у них резкие переходы в зоне буртика и хвостовика, так как это может явиться причиной концентрации напряжений, от чего эффект упрочнения может быть утрачен.

91

исключительно по конусам с внешней поверхности. У буровых штанг, подвергнутых дробеструйной обработке, кроме поломок конусов наблюдалось образование отдельных макротрещин на внешней поверхности стержня. У штанг, упрочненных цемента­

конусов, характерные для большинства штанг во всех партиях показаны на рис. 27.

Штанги, подвергнутые поверхностному упрочнению за счет индукционной закалки, в основном все разрушались по стерж­ ню па расстоянии 200—300 мм от торца хвостовика, в зоне мак­ симальных напряжений.

TTa усталостных изломах конусов буровых штанг, .отчетливо

ки соприкосновения корпуса, коронки и конуса. По фронту ус­ талостная трещина распространяется вглубь металла и имеет почти правильную эллипсную форму.

92

Как правило, наблюдается один очаг усталости (трещина) в изломе. Однако на некоторых изломах конусов штанг, упрочен­ ных дробеструйной обработкой, наблюдалось одновременно 2—3 аналогичных по форме, но очень мелких очагов усталости.

бурового шламма стенки трещины несколько наклепаны или имеют непрерывные питингообразные канавки, идущие от оча­ га усталости вглубь металла до соприкосновения с линией фронта усталости. Плоскость трещины (стенка), равномерно уг­ лублена относительно плоскости разрушения. По характеру и геометрии изломы конусов штанг можно отнести к усталостным изломам тех деталей машин, которые в процессе работы при перегрузках испытывают напряжения, превосходящие значение предела усталости [137].

Отличительной особенностью усталостных трещин в штан­ гах, подвергнутых упрочнению индукционной закалкой, являет­ ся геометрически правильная круглая форма ее плоскости. Раз­

равномерно углублена относительно плоскости окончательного

изломах стрежня данных штанг несколько больше, чем в изло­ мах конусов, однако не превышает 15—20% от площади сечения штанги. Это дает основание отнести усталостное разрушение стержня штанг к такому же случаю, когда изделие испытывает значительные динамические перегрузки [137, 138]. Характерной особенностью плоскости усталостной трещины, расположенной в

му металлу, а мелкорельефный, матовый. На рис. 29 показана после увеличения поверхность зоны усталости типичных изло­ мов буровых штанг, упрочненных индукционной поверхностной закалкой. Как видно, из рисунков, плоскость «усталостного глаз­ ка» (трещины) имеет характерную мелкорельефную структуру, равномерную по всей площади. Структура представляет собой рельеф из мельчайших лунок и кратеров, тесно расположенных друг с другом.

93

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