选择材料与热处理工艺的注意事项

石油钻采机械和其他机械产品一样，绝大多数零件都是用金属材料制成的。金属材料通过热处理和各种冷热变形强化工艺，以满足零件的使用要求。因此，开展基础零部件攻关时，必须搞清楚零件的服役条件。

每一种特定机器的特定零件，均具有特定的外在服役条件（负荷种类、应力状态、工作温度、加载速度、接触介质等）。就负荷种类而言，有的零件承受静负荷，有的是交变负荷（疲劳），还有急加负荷（冲击）、局部压入负荷（接触应力）、接触滑动负荷（摩擦咬蚀）等。假设都是疲劳负荷，还有应力变化幅度的不同（对称或不对称的程度），以及应力变化频率的不同、工作应力的高低以及有效寿命内应力变化周次不同等。就加载速度和加载时间而言，有缓慢加载、快速加载、瞬时加载、长时加载的区别。就零件危险点的应力状态来讲，有的零件是单纯的拉、压、弯、扭、剪切，有的则是复合的（如拉弯复合、弯扭复合等）；有的零件总的表现为硬性的（极端情况如三向等拉伸），有的则表现为软性的（极端情况如三向压缩）。此外，零件的工作温度（常温、高温、超高温、低温、超低温）和接触介质（空气、原油、海水……），也都有很大差异。这些外在服役条件都对零件起着不同程度、不同方式的损害作用。而这些损害作用可以单独进行，也可以联合起来作用。后者所造成的损害作用程度比前者更严重。例如石油机械中常见的几种情况：①腐蚀疲劳（抽油杆、钻杆）——脆性断裂；②高温瞬时冲击（石油射孔器）——过量塑性变形至开裂；③热疲劳、磨损（钻机刹车鼓）——龟裂、磨损；④应力腐蚀（含硫油气田井口装置）——脆性断裂；⑤磨损、冲刷、疲劳（泥浆泵活塞杆）——磨损、脆断；⑥高温蠕变、腐蚀（石油裂化管、合金吊挂等）——塑性变形至断裂，或脆性断裂；⑦接触疲劳、多次冲击、磨损（石油钻井钻头）——脆性断裂、磨损。

另一方面，制造机器零件的各种各样的材料的内在性能也是各不相同的。列入国家标准及部标准的各种材料，许多非标准材料，以及正在发展的新材料，至少在千种以上，它们的性能是彼此不同的。即使是同一个钢号，采用不同的强化工艺（热处理、化学热处理、冷热变形强化），也能通过改变材料的组织、结构以及内应力的种类、方向、大小等，提高各种各样的性能。拿普通淬火回火来讲，通过改变回火温度，可以在很大范围内改变材料的强度和塑性、韧性。而表面强化工艺对于零件使用性能的影响则更为复杂。各种表面强化工艺都有各自的特点，但同时又有缺点和不足。这种表面强化工艺提高了零件这方面的使用性能，而那种表面强化工艺则提高了另外的性能。任何一种热处理或冷热变形强化工艺都有它特定的使用范围，都不是万能的。例如，渗硼层的硬度和耐磨性是渗碳、氮化、高频淬火、碳氮共渗的渗层所达不到的，但渗硼层较薄、脆性较大，渗硼处理变形较大，因而限制了渗硼的使用范围。而且，某些热处理的工艺参数和处理程度，对零件的使用性能也有一定的影响，例如渗碳件的渗层碳含量和渗层深度，不同零件是有不同要求的。

总之，不同零件其外在服役条件是不同的，而制造零件的不同材料和不同热处理状态的内在因素（化学成分、组织状态、冶金质量、残余应力等）也是不相同的。因此，在相同的使用条件下，不同材料和热处理状态的失效方式可能不同；同一材料和热处理状态，在不同的使用条件下，也表现为不同的失效方式。这就需要把零件的服役条件，即不同零件所要求的不同性能，与不同材料、不同热处理工艺所提供的不同性能结合起来，统一起来，对应起来，充分发挥其潜在能力，而要达到这一点，一般应采取如下措施：

（1）根据零件的服役条件，通过典型失效分析，找出造成早期失效的主导因素。这就必须深入实际，调查研究，搞清楚失效的过程、现象和规律。要过细地做工作，除了对零件最弱点进行力学分析外，还应在可能的情况下对典型的失效零件进行解剖分析（断口分析、金相分析、内应力测定等）。要透过现象看本质，真正找到导致该零件早期失效的主导因素。(www.xing528.com)

（2）根据零件的失效特点和造成早期失效的主导因素，找出该零件的失效与材料性能之间的关系，即这种失效是材料哪方面的性能不足所造成的。这就形成了失效的判据（性能指标）。

在进行上述两个环节的工作时，必须注意全力抓主要矛盾。并且还要认识到，矛盾的主要和非主要方面是互相转化的。随着主要矛盾的解决，原来认为是次要矛盾的，可能会上升为主要矛盾。这一点必须充分注意。

（3）根据失效判据（性能指标），有针对性地选择能够满足零件使用要求的材料、组织状态，并制订相应的强化工艺。除了整体强化外，还要考虑对薄弱环节进行局部强化。

对于重要的和服役条件复杂的零件，在通过上述途径选择出初步认为是最佳材料和热处理工艺后，还应该通过试验进一步验证。当然，最直接、最可靠的是现场实物试验，但这种试验往往在时间和费用上不被允许。因此，一般情况下，可在试验室内进行基本性能试验，以至模拟试验、台架试验，在试验室试验有了初步结果时，再进行现场试用。