张中垚，张刚刚，陈 汉，陈安德，刘 峰

1.西安石油大学材料科学与工程学院 （陕西 西安 710065）

2.中国石油长庆油田分公司技术监测中心 （陕西 西安 710018）

传统评价材料强-韧性配合情况，一般是将常规冲击加静态拉伸试验相结合才能全面地加以评判。随着相关仪器技术的发展，采用仪器化冲击试验方法对材料进行测试，评价其强韧性能；同时相应的试验标准GB/T 19748—2005[1]的推出使得仪器化冲击试验方法得到了规范，使得这一方法得到了广泛应用。本文尝试用仪器化冲击方法，对抽油杆的强韧性进行评价，为抽油杆的生产应用提供参考。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验材料为从不同厂家生产的抽油杆，随机抽取进行加工，截面尺寸是直径为16、19、22 mm的圆，热处理状态为880℃淬火+600℃高温回火，最终热处理状态为调质态。按照GB/T 229—2007[2]制备10 mm×10 mm×55 mm标准冲击V型缺口试样（图1）。

图1 冲击V型缺口试样

由于喷丸强化对抽油杆疲劳强度和抗拉强度的提升作用，因此目前抽油杆均使用该工艺对其进行强化。为消除喷丸强化的影响，本研究拉伸试样采用成品抽油杆杆体部位截取两段进行试验，一段直接进行拉伸试验，另一段加工成直径为10 mm的试样进行试验。

1.2 试验方法

冲击试验采用ZBC2302摆锤冲击试验机进行试验，试验温度为20℃，试验机摆锤刀刃半径为2 mm，配备有载荷传感器、数字采集卡、高速调理仪，可将摆锤冲击试样瞬间的力值、位移数据等采集到计算机里。

拉伸试验采用E45.305微机控制电机伺服万能材料试验机进行试验，按照GB/T 228.1—2010[3]推荐的方法进行试验，测定屈服强度横梁位移速率采用0.75 mm/min，抗拉强度速率采用6 mm/min。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

2.1.1 仪器化冲击试验

仪器化冲击试验曲线如图2所示，冲击断口形貌如图3所示，各阶段的特征点（Fgy、Fm、Wi、Wt）见表1。

图2中红线为试验机实时采集的力-位移数据，蓝线为消除阻尼震荡后的拟合力-位移曲线，绿线代表位移-能量曲线。Fgy点为屈服力点，所代表的载荷为动态屈服载荷，Fm点为最大力点，所代表的载荷为最大载荷。

图2 载荷-位移-能量特征曲线

图2 中的绿线为位移-能量曲线，在最大载荷时，对应的位移所吸收的能量为裂纹形成能量Wi，整个冲击过程完成后的能量为总冲击能量Wt，按照公式（1）[1]进行计算，即可得裂纹扩展能量Wp，计算结果见表1。

图3 冲击断口形貌

2.1.2 拉伸试验结果

对表面喷丸硬化层消除掉的抽油杆与成品抽油杆均开展了拉伸试验，试验结果见表2。从表2中可知相比成品抽油杆，去除喷丸硬化层的试样抗拉强度和屈服强度均有不同程度的下降，其中抗拉强度平均下降101 MPa,屈服强度平均下降85 MPa，因此，使用仪器化冲击开展抽油杆强韧性评价时，需采用去除表面硬化层后的强度值。

表1 仪器化冲击曲线特征点

表2 拉伸试验数据对比表

2.1.3 动态强度计算结果

文献[4]从滑移线场理论所给出的缺口弯曲强度公式可用来计算材料的动态强度值σ，计算结果见表3。

表3 动态强度与静态强度试验结果表

式中，σ为动态强度，MPa；F为动态载荷，N；B为试样高度，mm；L为试样跨距，mm；（W-a）为韧带宽度，mm。

在断裂力学CT试样中，韧带宽度为试样宽度减去裂纹长度，本文采用的冲击试样韧带宽度等效为试样宽度W减去缺口深度a。

2.2 讨论分析

2.2.1 强度分析

通过对冲击曲线上特征点的读取，使用公式（2）计算材料的动态强度，计算结果见表3。由表3可以看出:抽油杆的的动-静强度的比值σgy/ReL为1.1～1.3，σm/Rm为1.1～1.2。这说明动态加载会提高材料屈服强度和抗拉强度。冲击试验与拉伸试验的主要差别在于试验过程中试验机对于试样的加载速率不同。冲击试验过程中，作用在试样上的冲击力，在20 ms左右时间内由零骤增到上万牛又重新下降为零，因此加载速率非常快。拉伸试验过程中试验机横梁的移动速率按照GB/T 228.1—2010进行控制，试样从受力开始至拉断一般要持续5 min以上。凃应宏等人认为仪器化冲击在弹性变形阶段,材料中的应力-应变的响应是以声速进行的，加载速率对材料的弹性变形性质没有影响。在塑性变形阶段，变形过程比较缓慢，充分变形需要较长的时间，当加载速率较高时，材料自身的变形速度往往超过了充分塑性变形所需要的临界变形速度,此时塑性变形过程受到了约束和限制，造成了材料动态强度的升高[5]。

抽油杆的静态强度与动态强度这种对应关系,说明了冲击曲线上的特征载荷Fgy、Fm真实地反映了材料自身的强度性能。利用动-静强度的这种关系可以方便地将抽油杆的冲击载荷值与静态强度值进行转换，为抽油杆相关强度指标的获取提供了不同途径。同时也需要注意，成品抽油杆在热处理完成后，一般都会采用喷丸工艺进行强化，在实际使用中需要进行综合考虑。

2.2.2 韧性分析

1）传统方法。传统评价材料的韧性，常用测定冲击断口剪切断面率进行评定，剪切断面率越高，材料韧性越好，从图3可以看出，常温下抽油杆冲击断口无解理断裂形貌特征，均为剪切断面，剪切断面率均为100%。从图3可以看出试样7还存在一定的粘连，没有完全断裂，试样8和试样9没有断裂，说明其冲击韧性很好，图3断口形貌和表1中冲击吸收功高度一致，均表明抽油杆材料有很好的韧性指标。

2）仪器化冲击方法。通过仪器化冲击试验可以获得试样断裂过程中的裂纹萌生、扩展的能量消耗信息，从而评价材料的韧性。GB/T 19748—2005[1]对韧性断面率的确定定义为：在力-位移曲线变化过程中，如果力没有发生急剧下降（F型曲线），则断裂表面的韧性断面率可定位为断裂表面的100%。从图2中可以看出，试验中的抽油杆冲击曲线均属于F型曲线，由此可以判断抽油杆韧性断面率为100%，属于全韧性断裂，表明抽油杆材料有很好的韧性指标。

文献[6]认为金属材料的裂纹扩展能量的大小是反映材料韧脆倾向的重要证据之一，在材料的韧脆性能的评价中起着主导作用，裂纹扩展能量越大，材料韧性越好。通过对仪器化冲击曲线的综合分析,可以确定材料的裂纹扩展能量，结合材料的韧性断面率测定，可更加精确地评价材料的韧脆性，而传统冲击试验是没有办法对裂纹扩展能量进行精确测定的。

GB/T 229—2007[2]认为测定剪切断面率方法来评价断口表面带有很高的主观性，一般不作为技术规范使用，而仪器化冲击方法的判断是基于力-位移数据的基础上进行分析计算，评判结果更客观。

2.2.3 强韧性分析

从表1中可以直接看出试样1～试样6具有很高的强度和较好的韧性，试样7～试样9相比而言，强度较低，但韧性更好，同时分析冲击曲线并结合裂纹扩展能量，可知抽油杆的断口均为韧性断口，具有很好的冲击韧性。综上所述，无需进行常规拉伸试验,仅对冲击曲线特征参数进行直接对比就可以看出抽油杆的强韧性，并且采用仪器化冲击方法测定材料的韧性，评价结果更加准确、客观。

3 结论与建议

1）通过对抽油杆动态强度值与静态强度值的比较分析，发现动-静强度比值基本上在1.1～1.3波动，利用动态强度和拉伸强度的这种关系可将抽油杆的冲击载荷值与静态强度值进行转换，为抽油杆相关强度指标的获取提供了不同途径，但在评价中需要注意喷丸强化的影响。

2）仪器化冲击曲线能以一种较直观的方式对抽油杆材料的强韧性配合情况进行客观反映,对该曲线进行分析可以较直观地看出常温下抽油杆材料的强-韧性配合，且评价结果更为精确、客观。