Page 34 - 理化检验-物理分册2021年第七期
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杨晓峰, 等: S135 钻杆摩擦焊焊缝区冲击韧性低的原因


            ( SEM ) 分析, 图 4 为 冲 击 试 样 断 口 的 SEM 形 貌。           黑色块状 物 质 进 行 能 谱 ( EDS ) 分 析, 结 果 见 图 5 。
            由图 4a ) 和 图 4b ) 可 见, 断 口 呈 密 集 沟 壑 状; 由           可见黑色块状物质主要组成元素为硫、 锰和铁, 其质
            图 4c ) 可见, 有些沟壑里及细小韧窝里面存在细小                        量分数分别为 35.43% , 36.88% , 17.82% , 其余元素
            的块状黑色物质, 局部平面上存在大量块状的黑色                            为碳、 钙、 铬, 可 以 推 断 该 黑 色 块 状 物 质 为 FeS 和

            物质, 个别长条黑色块状物质长达 100 μ m 。对这些                      MnS 混合夹杂物。
















                                              图 4  冲击试样断口不同位置的 SEM 形貌

                                    Fi g  4 SEM mor p holo gy ofim p actsam p lefractureatdifferent p ositions

                            a   initiationzone b  extendedzoneatlowma g nification c  extendedzoneathi g hma g nification















                                            图 5  冲击试样断口黑色块状物质 EDS分析结果

                                 Fi g  5 EDSanal y sisresultsofblackblocksubstanceonfractureofim p actsam p le
                                                               到冲击力时, 弱结合面处先产生裂纹, 最终裂纹在焊
            3  冲击韧性低的原因分析
                                                               接结合面上扩展而导致试样断裂, 因此试样焊缝区
                 该批钻杆焊缝试样除冲击韧性不合格, 其余力                         的非金属夹杂物含量多会使冲击韧性大大降低                      [ 7-9 ] 。


            学性能均符合 APISPEC5DP : 2009 的要求。焊缝                    钻杆接头材料里的硫元素生成于冶炼过程, 大部分硫
            两侧显微组织为回火索氏体 + 少量铁素体, 不存在                          元素成群聚集于枝晶晶界形成硫化物, 热轧管过程中
            未回火马氏体和粗大的过热组织, 焊缝区存在较多                            的硫化物易于变形, 往往呈细长纺锤形伸展分布在带
            的 A 类非金属夹杂物, 细系达到 1.5 级。管体材料                       状组织中, 造成钢材的各向异性。摩擦焊时钻杆接头
            磷、 硫含量较低, 非金属夹杂物等级也较低, 但是钻                         和管体在高温、 高压环境下进行焊接, 随着焊接面金
            杆 接 头 材 料 的 硫 元 素 含 量 超 标,质 量 分 数                  属的塑性流动, 改变了硫化物原分布方向, 由原平行
            为 0.016% , A 类非金属夹杂物粗系达到 2.0 级且含                   于钻杆接头轴线方向变为平行于焊缝方向, 即垂直于
            量较多。通过对焊缝冲击试样断口宏观及微观分析                             轴线方向, 故硫化物沿焊缝分布。
            可以判断, 断口处存在较多的 FeS 和 MnS 混合非                           该焊缝试样由于焊缝区 A 类非金属夹杂物含
            金属夹杂物。由于冲击试样断口处 A 类非金属夹                            量多, 破坏了组织的连续性, 导致冲击韧性不符合
            杂物含量多, 破坏了焊缝区组织的连续性, 非金属夹                          APISPEC5DP : 2009 的 要 求, 但 是 抗 拉 强 度 却 达


            杂物的塑性、 弹性与钢材的有很大差别, 非金属夹杂                          到 880MPa 。相关 研 究 显 示, 试 样 在 受 拉 应 力 时,

            物无法与钢材同步塑性变形, 因而在非金属夹杂物                            拉应力垂直于焊缝结合面, 均匀的分布在整个焊缝
            周围产生越来越大的应力集中, 形成了弱结合面, 受                          结合面上, 因此非金属夹杂物产生的裂纹扩展速度
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