表面质量对吊环疲劳寿命的影响分析

疲劳破坏是裂纹发生和扩展的过程。如图3所示，吊环受力后最大拉应力位于表面。在危险截面处，表面拉应力是杆部平均应力的几倍。因此，吊环表面质量对其疲劳寿命有极大的影响。1975年以来，我们系统分析了四起在油田发生的吊环断裂事故，都是由表面缺陷而引起^[6～8]。从这次的试验结果来看（表14），表面脱碳对吊环寿命影响确实非常严重。如2号吊环表面有1.1mm深的脱碳层，就可以使总寿命由原来的200万次不断，下降为14万8千次断，至少降低寿命14倍。此外，危险截面处的锻造折叠也使吊环疲劳寿命大大减低（表14所列7号吊环）。值得注意的是16号吊环危险截面处有一条2.3mm深、7mm长的横向裂纹，经打磨去除后对疲劳寿命没有造成显著影响。

吊环表面缺陷对疲劳寿命的影响，主要是降低疲劳无裂纹寿命。图16是在25t/1.7t载荷下，表面缺陷影响的示意图。一般认为：N_f（疲劳总寿命）=N_i（疲劳无裂纹寿命）+N_K（裂纹扩展寿命）^[16]，对于低应力高周疲劳，Manson提出。吊环疲劳寿命一般要在10⁴次以上。因此根据Manson的上述公式，吊环疲劳无裂纹寿命将占去总寿命的绝大部分。如图16a所示，表面无任何缺陷的情况下，材料由表面至心部的外加应力远远低于抗拉强度，这时无裂纹寿命N_i与总寿命N_f的关系满足Manson关系式，即吊环的无裂纹寿命趋近于总寿命。但当表面带缺陷后，Manson关系式不再成立。若表面存在全脱碳层（图16b），表面铁素体的抗拉强度约为20～30kgf/mm²，小于外加应力（40～45kgf/mm²）。这时工件一经受力，表面立刻产生裂纹，即吊环的疲劳无裂纹寿命N_i=0，吊环的疲劳总寿命N_f≈N_K。这就是说，吊环疲劳总寿命中的绝大部分（即N_i）没有了。若表面只有半脱碳层（图16c）表面强度也会大大减低。受力后虽不会马上产生裂纹，但经不起几个周次，裂纹就会形成。表面有裂纹也是如此。即使表面没有脱碳层，裂纹尖端产生的应力集中也会使外加应力达到或者接近材料的强度水平，结果还是使N_i下降（见图16d）。2号吊环表面虽没有全脱碳层，但半脱碳层中铁素体的量已经相当多（见图17）。经测定，脱碳层显微硬度，表面只有183HM（见图18）。而且在断口附近发现一些横向小裂纹（见图19）。根据我们在文[8]中的分析，这种裂纹即是脱碳层引起的。另外，从宏观断口的临界裂纹尺寸a_c可以看出，2号吊环寿命很低，但它的临界裂纹尺寸确很长，如图20所示。一般来说，材料及热处理工艺一定，它的裂纹扩展速率da/dN应该不变。在临界裂纹尺寸相近的情况下，裂纹扩展寿命应该是相同的。所以，2号吊环与其他吊环寿命上的差距，必然是无裂纹寿命N_i。这进一步证实，2号吊环寿命低，完全是由于表面脱碳引起。7号吊环危险截面处的折叠对吊环寿命影响也很大。图21是它的宏观断口。疲劳裂纹从折叠处起源。我们在折叠处横向取样，发现折叠裂纹区域有0.5mm厚的脱碳层（见图22和图23）。经测定，折叠根部的显微硬度为216HM（见图24）。这说明折叠的影响也应归咎于脱碳的影响。但由于7号吊环折叠根部脱碳程度较2号吊环轻，并且脱碳层是在次表面，所以它的寿命比2号吊环高。值得注意的是16号吊环的危险截面处存在一条2.5mm深、7mm长的横向裂纹，经打磨掉后，截面尺寸有所减少，但吊环寿命并没减少。由此看来，表面质量确系影响吊环疲劳寿命的极其重要的因素，应该予以充分重视。

图16 表面脱碳及裂纹对吊环材料强度及外加应力影响示意图

图17 2号吊环表面脱碳层金相组织（200×）

图18 2号吊环表面脱碳层硬度分布

图19 2号吊环断口附近裂纹

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图20 2号吊环宏观断口

图21 7号吊环宏观断口

图22 7号吊环折叠处1∶3

图23 折叠根部组织（100×）

图24 7号吊环折叠处硬度分布