【文章內(nèi)容簡介】 究提供了物理根據(jù)。宏觀方面，主要是研究疲勞裂紋擴展的力學(xué)模型和疲勞裂紋擴展速率表達(dá)式。宏觀疲勞裂紋是由微觀裂紋的形成、長大及連接而成的。目前，在疲勞裂紋萌生期，常將 ～ 的裂紋定義為疲勞裂紋核，并由此定義疲勞裂紋萌生期。 （1）滑移帶開裂產(chǎn)生裂紋大量實驗表明，金屬在循環(huán)應(yīng)力（ ）長期作用下，即使其應(yīng)力低于屈服1???應(yīng)力，也會發(fā)生循環(huán)滑移并形成循環(huán)滑移帶。與靜載荷時均勻滑移帶相比，循環(huán)滑移是極不均勻的，總是集中分布于某些局部薄弱區(qū)域。用電解拋光的方法也很難將已產(chǎn)生的表面循環(huán)滑移帶去除，即使能去除，當(dāng)對試樣重新循環(huán)加載時，則循環(huán)滑移帶又會在原處再現(xiàn)，這種永留或再現(xiàn)的循環(huán)滑移帶稱為駐留滑移帶，具有持久駐留性。駐留滑移帶一般只在表面形成，其深度較淺。隨著加在循環(huán)次數(shù)的增加，循環(huán)滑移帶會不斷地加寬，當(dāng)加寬至一定程度時，由于位錯的塞積和交割作用，便在駐留滑移帶處形成微裂紋。 （2）駐留滑移帶在加寬過程中，還會出現(xiàn)擠出脊和侵入溝，于是此處就產(chǎn)生應(yīng)力集中和空洞，經(jīng)過一定循環(huán)后也會產(chǎn)生微裂紋。擠出和侵入的現(xiàn)象在很多實驗中曾經(jīng)觀察到，而且看到了由它所形成的裂紋（圖 11） 。 圖 11 金屬表面“擠出” 、 “侵入”并形成裂紋關(guān)于擠出和侵入是怎樣形成的這一問題，可以用柯垂?fàn)枺ǎ┖秃諣?)提出的一個交叉滑移系模型來說明，如圖 12 所示。這一模型從幾何和能量上看是可能的，但它所產(chǎn)生的擠出脊和侵入溝是分別出現(xiàn)在兩個滑移系統(tǒng)中，這與實際情況不大一致，因為實驗中看到的擠出脊和侵入溝常常在同一滑移系統(tǒng)的相鄰部位上（圖 12） 。 圖 12 柯垂?fàn)枴諣柲Ｐ蛷囊陨掀诹鸭y的形成機理來看，只要能提高材料的滑移抗力（如采用固溶強化、細(xì)晶強化、形變強化等手段） ，均可以阻止疲勞裂紋萌生，提高疲勞強度。（3）相界面開裂產(chǎn)生裂紋由于第二相或夾雜物的結(jié)合力差，易在相結(jié)合處或弱相內(nèi)出現(xiàn)開裂，從而形成相界面開裂產(chǎn)生裂紋。控制或夾雜物的數(shù)量、形態(tài)、大小和分布，使之“少、圓、小、勻” ，均可抑制或延緩疲勞裂紋在第二相或夾雜物附近萌生，提高疲勞強度。（4）晶界開裂產(chǎn)生裂紋位錯在某一晶粒內(nèi)運動時會受到晶界的阻礙作用，在晶界處發(fā)生位錯塞積和應(yīng)力集中現(xiàn)象。晶界強化、晶界凈化、細(xì)化晶粒的因素，均能抑制晶界裂紋形成，提高疲勞強度。 疲勞裂紋擴展過程及機理疲勞裂紋萌生后即進入裂紋擴展階段。根據(jù)裂紋擴展方向，裂紋擴展可分為兩個階段。第一階段是從表面?zhèn)€別侵入溝（或擠出脊）先形成微裂紋，隨后，裂紋主要沿主滑移系方向（最大切應(yīng)力方向） ，以純剪切方式向內(nèi)擴展，循環(huán)擴展速率僅有 的擴展量。m?在第一階段裂紋擴展時，由于晶界的不斷阻礙作用，裂紋擴展逐漸轉(zhuǎn)向垂直于拉應(yīng)力的方向，即 da/dN 的Ⅱ區(qū)，進入第二階段。在室溫及無腐蝕條件下疲勞裂紋擴展是穿晶的。裂紋擴展速率為 105～10 2mm/次。疲勞微觀斷口最典型的微觀特征是疲勞條帶，如下圖 13 和 14 所示：圖 13 疲勞條帶（a、b ） 圖 14（a） 韌性條帶 圖 14（b ） 脆性條帶 疲勞裂紋擴展的經(jīng)驗公式60 年代，宏觀方面取得了最重大的成就，由 Paris 和 Erdogan 首次應(yīng)用斷裂力學(xué)的理論來研究疲勞裂紋的擴展問題，給出了裂紋尖端應(yīng)力強度因子幅值和裂紋展速率的關(guān)系表達(dá)式，該表達(dá)式就是著名的 Paris 公式 [11]： da/dN=C△K m （11）式中， 、 為材料性能常數(shù)，由標(biāo)準(zhǔn)試樣實驗確定，對金屬材料來說，典型的Cm值處于 2～4 之間 [12]。 在不同應(yīng)力比 R 下的疲勞裂紋擴展當(dāng)循環(huán)載荷的應(yīng)力幅 給定時，應(yīng)力比 R 增大，平均應(yīng)力 也增大。 與a?m?a有如下關(guān)系：m?=（ 1+R）/(1R) （1a2）故討論應(yīng)力比 R 的影響就是討論平均應(yīng)力的影響。（1）R ＞0 情況以 R=0 的 da/dN△K 曲線為基本裂紋擴展速率曲線，應(yīng)力比 R 改變時，da/dN△K 曲線的變化一般有圖 15 所示的趨勢。R＞0 時，應(yīng)力循環(huán)中的 ＞0。應(yīng)力幅 給定時，隨R的增大，循環(huán)中最大min?a?應(yīng)力 和最小應(yīng)力 均增大。在裂紋擴展速率的三個區(qū)域內(nèi)，da/dN 均增大。max?in圖15中表現(xiàn)為曲線整體向左移動。因此，隨著R的增大，高速率區(qū)的上限(1－R)Kc降低，裂紋擴展的壽命減?。辉诘退俾蕝^(qū)，疲勞裂紋擴展速率的下限（門檻值）△Kth降低，對含一定缺陷的構(gòu)件，不引起裂紋擴展的允許載荷減小。（2）R ＜0 的情況應(yīng)力比R ＜0，即循環(huán)載荷中包括負(fù)應(yīng)力部分。與R=0的情況相比，負(fù)應(yīng)力的存在使低速率區(qū)da/dN 加快；對中速率區(qū)的 da/dN 影響不大；在高速率區(qū)，因為上限(1－R)Kc 增大，da/dN還有減緩的趨勢。故在不同的裂紋擴展速率區(qū)域內(nèi)，負(fù)應(yīng)力的存在對da/dN 的影響是不同的，情況比 R＞0 的復(fù)雜得多。由部分文獻可得出結(jié)論：應(yīng)力比R＞0 時，在裂紋擴展速率的三個區(qū)域內(nèi)，da/dN 均增大。當(dāng) R＜0 時，負(fù)應(yīng)力的存在使低速率區(qū)da/dN 加快；對中速率區(qū)的da/dN 影響不大；在高速率區(qū)，da /dN 有減緩的趨勢在lg( da/ dN ) lg△K關(guān)系曲線中，不同應(yīng)力比下低Paris區(qū)、Paris區(qū)、高△K 區(qū)有明顯的區(qū)別，如圖15所示。當(dāng)△K為29MPam 1/2時，對于應(yīng)力比R= 0. 1 時，僅僅是在低Paris區(qū)附近， 而對于R= 0. 7來說， 已經(jīng)到了高的△K 區(qū)，對于應(yīng)力比為R= = 來說，處于Paris 線性區(qū)。試驗結(jié)果和其它相似合金研究的結(jié)果基本是一致的。da/ dN 和△K之間的曲線可以擬合為Paris關(guān)系式： =C△K m ( 13)dNa式中: da/ dN 為疲勞裂紋擴展速率，m/ c。 m和C為材料常數(shù)。 △K為應(yīng)力強度因子幅度，MPam 1/ 2，不同應(yīng)力比對應(yīng)的 m、C值。 圖15 應(yīng)力比的影響 一般來說，材料常數(shù)m隨應(yīng)力比R值的增大而稍有增大，而C有減小的趨勢，而且不同R 下的 da/ dN與△K之間的關(guān)系曲線。隨著應(yīng)力比的增大，C和m變化都更加顯著。但工程實踐中，通常是以應(yīng)力比R = 0 為基準(zhǔn)來研究其它參數(shù)變化的，因此，利用最小二乘法對應(yīng)力比R和Paris指數(shù)m之間的關(guān)系進行擬合，可獲得如下公式:m= 3. 58R2 0. 952 1R + 3. 438 ( 14)根據(jù)式(14)可知: 應(yīng)力比 R= 0時，m為3. 438，這與文中鐵素體? 珠光體鋼m= 3. 0是近似的。利用最小二乘法對Paris 公式中材料常數(shù)C和應(yīng)力比之間的關(guān)系進行擬合，可得:C= 4. 910 13R2 1. 7910 12R+1. 48 10 12 ( 15)由式( 15)可知，應(yīng)力比R = 0時，C 為1. 4810 12 ，這與文獻中鐵素體—珠光體鋼C = 6. 910 12也是相近的，屬同1個數(shù)量級。導(dǎo)致與文獻中Paris指數(shù)m 和材料常數(shù)C產(chǎn)生差異的原因可能與組織有關(guān)，鐵素體組織的片層厚度、材料中夾雜物的大小和含量都會對Paris指數(shù)m和材料常數(shù)C產(chǎn)生影響。 套管鉆井用鋼 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀油井套管的選材是至關(guān)重要的，為了油田長期開采安全地進行，還必須分析研究各種套管材料在油田生產(chǎn)過程中的損壞原因，采取更適合的材料以確保油田生產(chǎn)長期正常地進行 [13]。事實上，套管鉆井并不是一個新概念，早在20世紀(jì)50年代就有很多陸上鉆井公司用油管鉆生產(chǎn)井，鉆達(dá)油氣層后對油管進行固井作業(yè)，鉆頭留在井下。70年代史密斯公司曾在墨西哥灣應(yīng)用套管鉆井技術(shù)，但當(dāng)時的鉆進距離都非常短。80年代末期，在采礦業(yè)，小井眼繩索連續(xù)取心鉆進技術(shù)曾一度引起過人們的極大興趣，該技術(shù)使用了鋼絲繩回收的取心筒，鉆達(dá)目的層后將鉆柱用作套管固井，同時取心鉆頭留在井底。若需繼續(xù)鉆進時，可采用更小尺寸的鉆柱，從而降低鉆井成本，節(jié)約鉆進時間。因此這種采礦業(yè)用的小井眼鉆進系統(tǒng)可以認(rèn)為是套管鉆井系統(tǒng)的先驅(qū) [8]。套管鉆井的專利最早出現(xiàn)在60年代。1989年到1995年期間是現(xiàn)代套管鉆井技術(shù)醞釀和形成的階段，陸續(xù)出現(xiàn)了一些與套管鉆井有關(guān)的鉆井工具、鉆井裝備和鉆井工藝專利。1996年到1998年是套管鉆井技術(shù)快速發(fā)展階段，這一期間也正值油價持續(xù)下滑。在這種背景下，降低鉆井成本成為鉆井行業(yè)的迫切任務(wù)，也成為套管鉆井技術(shù)發(fā)展的直接驅(qū)動力，許多公司對其進行了研究和開發(fā)。 套管鉆井概況及其優(yōu)點套管鉆井技術(shù)的出現(xiàn)打破了“鉆井需要套桿”這一傳統(tǒng)認(rèn)識，使得鉆井工藝及其裝備出現(xiàn)了革命性的變化。套管鉆井不使用鉆桿，大大減少了起下鉆時間和由于預(yù)料外事故如劃眼、打撈鉆具和起下鉆所浪費的時間，增強了井眼的穩(wěn)定性，大量降低了鉆井成本，具有較好的發(fā)展前景 [14]。但在實際應(yīng)用中，由于套管及其接箍被置于一種復(fù)雜的動載作用工況下，套管疲勞失效等問題日益突出。而 N80 鋼作為石油鉆井套管鋼，對其研究有重要意義 [15] ?，F(xiàn)場試驗表明，在無事故井中進行套管鉆井可節(jié)省鉆井成本 10%~15%。在鉆速較快的陸地井中估計可節(jié)約鉆井成本 30%。對于鉆易坍塌地層，如果套管鉆井被證明是一種更加經(jīng)濟有效的方法，則有可能節(jié)省更多的鉆井費用。對已有的鉆井技術(shù)如定向鉆井、注水泥、測井、取心和試井等作業(yè)采用套管鉆井、固井來替代常規(guī)的鉆桿鉆井，其速度比常規(guī)鉆桿鉆井快 5~10 倍。因此，套管鉆井作為一項前沿技術(shù)已推動鉆井工業(yè)進入新世紀(jì)。這一降低鉆井成本的重大舉措，對石油工業(yè)的發(fā)展具有重大影響。在我國，除遼河油田外，吉林油田、陜北地區(qū)淺層井很多，利用該技術(shù)