بخشی از مقاله
بررسی خواص خستگی پر چرخه آلیاژ 42CrM04 مورد استفاده در صنعت حفاری میادین نفت و گاز
چکیده
آلیاژ .42CrMo4 از جمله آلیاژهای مهم و کاربردی صنعت حفاری می باشد که به طور ماداوم اغلب قطعات تحت سیکل های خستگی پر چرخه قرار دارد. در این پژوهش ابتدا خواص مکانیکی و خستگی آلیاژ 42CrMo4 که از یک مته حفاری تهیه شده بود، بررسی شد. سپس به منظور افزایش چقرمگی و استحکام این آلیاژ نمونه هایی از این آلیاژ تحت سه سیکل عملیات آستمپرینگ مختلف قرار گرفت که منجر به ایجاد ساختارهای بینیتی شد. رفتار خستگی پر چرخه ساختارهای بینیتی بدست آمده با روش خمشی - چرخشی بررسی شد و خواص مکانیکی و خستگی این سه نمونه با نمونه های صنعتی مقایسه گردید. در نهایت میکرو ساختار مناسب این آلیاژ جهت استفاده در صنعت حفاری میادین نفت و گاز پیشنهاد شده است.
کلمات کلیدی: آلیاژ 42CrMO4، خستگی، آستمپرینگ، مته، حفاری،
مقدمه :
تاثیر میکروساختار بر خواص مکانیکی فولادهای مختلف موضوع کارهای تحقیقاتی بسیاری بوده است || ۱، ۲، ۳ و۵ او با تغییر میکروساختار فولاد می توان خواص مناسب و مورد نظر بدست آورد. نقش عملیات حرارتی در بدست آوردن میکروساختار بهینه در فولادهای پر استحکام کم آلیاژ، موضوع بسیاری از کارهای تحقیقاتی بوده است. فولاد 42CrMo4 یکی از فولادهای پر استحکام کم آلیاژ می باشد که بطور گسترده بعنوان آلیاژ پایه در ساخت قطعاتی همچون عنوان آسیاب کننده های حفاری و مته های مختلف در حال که دارای پوششهای ضد سایش در صنعت حفاری میادین نفت و گاز کاربرد فراوان دارد. در تمامی این کاربردها قطعه ی ساخته شده بایستی استحکام و چقرمگی مناسبی داشته باشد تا بتواند از عهده فعالیت مورد نظر بیاید. از میان میکروساختارهای موجود در فولادها، ساختارهای بینیتی و مخصوصا بینیت پایینی، هم زمان دارای چقرمگی و استحکام بالاتری نسبت به سایر میکروساختارها دارد که ناشی از پخش یکنواخت و ظریف کاربید در زمینه می باشد. بطور کلی ساختارهای بینیتی برحسب دمای تشکیل دارای دو مورفولوژی بینیت بالایی و بینیت پایینی است || ۱، ۵. دمای تشکیل بینیت پایینی کمتر از بینیت بالایی و در نزدیکی شروع استحاله مارتنزیتی است. کارهای تحقیقاتی قبلی || ۶ || نشان دادند که در بینیت پایینی به علت اینکه رژیم دمایی اعمال شده در نزدیکی منطقه شروع استحاله مارتنزیتی است، لذا با انجام عملیات حرارتی در این منطقه یک فولاد دو فازی بینیتی - مارتنزیتی بدست می آید که دارای خواص مکانیکی مناسبی است. نوع مکانیزم استحاله بینیت بالایی و پایینی نیز با یک دیگر متفاوت است بگونه ای که بینیت بالایی بیشتر تحت مکانیزم نفوذ ایجاد می شود در حالی که مکانیزم استحاله بینیت پایینی از نوع برشی است. بر این اساس با افزایش اندازه دانه های آستنیت اولیه تمایل به استحاله برشی تقویت یافته است و این افزایش اندازه دانه موجب افزایش نرخ بینیت و کاهش میزان آستنیت باقیمانده می شود ۱، ۷. همانگونه که اندازه دانه آستنیت در تعیین خواص مکانیکی فولاد بسیار موثر است، انباشتگی و توزیع مرزهای بین در میرو ساختار در خواص مکانیکی بسیار موثر می باشد به گونه که بر اساس نتایج تحقیقات با افزایش مرزهای بین فازی میزان چقرمگی و مقاومت به شکست کاهش می یابد ۲، ۹ ب. با توجه به کارهای تحقیقاتی انجام شده توسط یکی از نویسندگان این تحقیق در مورد همین فولاد، آستسپرینگ در دمای C° ۴۰۰ بهترین خواص مکانیکی را میدهد. در این تحقیق به مقایسه تغییر خواص مکانیکی با کاهش زمان آستنیته کردن در طی عملیات آستمپرینگ و تغییر حد خستگی این فولاد با عملیات حرارتی براساس بهترین دمای آستمپرینگ پرداخته شده است.
. روش تحقیق
میلههایی به قطر ۲۰mm و طول ۱۰۰mm از بدنه ی یک اJunk Mil حفاری (آسیاب کننده حفاری) با آنالیز موجود در جدول ۱ تهیه گردید. میله های تهیه شده براساس جدول ۲ تحت عملیات حرارتی قرار گرفتند. میکرو ساختار تمام نمونه ها توسط میکروسکوپ نوری و الکترونی روبشی مورد بررسی قرار گرفتند.
تست کشش براساس استاندارد ASTM E8 بر روی تمامی نمونه ها قبل و بعد از عملیات حرارتی چرخه های عملیات حرارتی صورت گرفت.
در نهایت با توجه به داده های آزمون های کشش و ضربه تست خستگی پر چرخه براساس استاندارد ASTM E466 بر روی تمامی ساختارهای حاصل از چرخه های عملیات حرارتی گفته شده در جدول ۲ انجام شد. در نهایت سطح مقطع شکست نمونه های آزمون خستگی توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی مورد بررسی قرار گرفت.
نتایج و بحت
میکروساختار نمونه بدست آمده از مته حفاری کار نشده قبل از انجام عملیات حرارتی بر روی آن در شکل ۱ نشان داده شده است. میکروساختار نمونه های حاصل از اجرای چرخه های عملیات حرارتی گفته شاده در جدول ۲ در شکل 2T (B-E)Y شده است. همانطوری که از مشاهده ی تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری نمایان است، تمامی ساختارها به ساختار بینیتی تبدیل شدهاند.
از میان چرخه هایی که زمان آستنیته کردن آنها ۲ ساعت بوده، میکروساختار نمونه هایی که در دمای C" ۴۰۰ آستمپر شده بودند دارای ریزساختارهای ریزتری بودند.
نتایج آزمون کشش و ضربه بر روی تمامی نمونه های حاصل از اعمال چرخههای عملیات حرارتی در شکل ۲ و جدول ۳ آورده شده است. نمونه ای که در دمای C" ۳۵۰ آستمپر شده است (B) دارای استحکام تسلیم و کشش بالاتری است؛ دلیل آن مربوط به نزدیکی دمای آستمپرینگ این نمونه به منطقه شروع استحاله مارتنزیتی دارای مقادیر کمی مارتنزیت ثالر درول ساختار خورد بوده که این اسر گو جس افزایش استحکام این نمونه شده است؛ از طرفی بر اساس تحقیقات قبلی ||۲، ۹، ۷ || وجود مقادیری مارتنزیت درون ساختار موجب افزایش مرزهای بین فازی شده که این امر کاهش انرژی ضربه این نمونه نسبت به نمونه آستمپر شده در دمای C" ۴۰۰ است. میزان درصد ازدیاد طول نمونه آستمپر شده در C"۴۵۰ و همچنین میزان انرژی شکست آزمون ضربه این نمونه نسبت به سایر نمونه های عملیات حرارتی شده کمتر می باشد که این مطلب به علت متمایل بودن میکروساختار نمونه به بینیت بالایی و پایین بودن میزان چقرمگی بینیت بالایی نسبت به بینیت پایینی است ||۸، ۱۱ . نمونه آستمپر شده در دمای ۴۰۰C با زمان آستنیته ۲ ساعت (نمونه C) نسبت به نمونه آستمپر شده در این دما ولی با زمان آستنیته یک ساعت دارای انرژی ضربه کمتری است، علت آن مربوط به این است که با کاهش زمان آستنیته کردن اندازه دانه های رشد کمتری داشته که با توجه به رابطه هال پچ این مطلب درست به نظر میرسد. با توجه به موارد گفته شده و لزوم بالا بودن همزمان استحکام و چقرمگی، نمونه های آستمپر شده در دمای ۴۰۰C جهت انجام آزمون خستگی انتخاب شدند. نتایج مربوط به آزمون خستگی پر چرخه در شکل ۴ آورده شده است. نمونه های عملیات حرارتی شده نسبت به نمونه گرفته شده از مته ی حفاری دارای حد خستگی بالاتری می باشند که این مطلب با نتایج ازمون کشش همخوانی دارد. حد خستگی نمونه ای که زمان آستنیته کردن ان ۲ ساعت بوده است از نمونه ای که زمان آستنیته کردن آن ۱ ساعت بوده است، بالاتر است این در حالی است که کاهش اندازه دانه براساس رابطه هال - پیچ، سبب بهبود خواص مکانیکی شود. علت این امر مربوط به مکانیزم برشی استحاله بینیت پایینی است. لذا با افزایش اندازه دانه های آستنیت مقاومت آن نسبت به استحاله برشی کاهش یافته و بنابراین نرخ تبدیل بینیت پایینی افزایش مییابد و با افزایش نرخ تبدیل به یابیت پایینی، حد خستگی نمونه آستنیته شده به مدت ۲ ساعت بیشتر از نمونهای است که به مدت یک ساعت آستنیته شده است. نمونه آستمپر شده در دمای ۴۰۰C با زمان آستنیته ۲ ساعت (نمونه C) نسبت به نمونه آستمپر شده در این دما ولی با زمان آستنیته یک ساعت دارای انرژی ضربه کمتری است، علت آن مربوط به این این است که با کاهش زمان آستنیته کردن اندازه دانه های رشد کمتری داشته که با توجه به رابطه هال پیچ این مطلب درست به نظر می رسد.
نتایج در این تحقیق دما و زمان آستمپرینگ بر خواص فولاد 42CrMO4 مورد استفاده در صنعت حفاری Fð , oC , F . . . ". . میادین نفت و گاز مورد بررسی قرار گرفت. انجام عملیات آستمپرینگ در دماهای سبب ایجاد ساختارهای بینیتی در در نمونه ها شد. با توجه به نتایج آزمونهای کشش و ضربه، آستمپرینگ در دمای ۴۰۰C بهترین خواص مکانیکی را به همراه خواهد داشت. با کاهش زمان آستنیته کرده به مدت یک ساعت چقرمگی نمونه افزایش می یابد ولی حد خستگی این فولاد با کاهش زمان آستنیته
کردن به علت کاهش میزان نرخ تبدیل میکروساختار به ساختار بینیتی و افزایش میزان آستنیت باقی مانده(9) کاهش مییابد.
