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石油作为一种战略物资在我国国民经济发展中具有举足轻重的作用,但是我国的石油资源十分短缺。为了保障国家能源安全,石油勘探开发难度不断增大,深井超深井、大斜度大位移井等复杂结构井的钻探数量成倍增长,钻具失效事故时有发生,严重影响了钻井安全和经济效益。本文在大量调研钻具失效分析及预防相关文献的基础上,结合钻井现场钻具失效的情况,对井下工具中的4145h钢进行了系统的材料性能研究;针对井下工具受力条件复杂,长期服役在交变应力、摩擦磨损、腐蚀环境等恶劣工况中,探索了三种表面改性处理技术对井下工具的材料性能的影响。本文进行了以下几个方面的研究:(1)通过大量调研三种表面改性处理技术相关文献,确定了 CVD气相沉积处理、激光淬火处理及QPQ盐浴复合热处理三种表面改性处理技术的工艺参数。选用4145h钢作为实验材料,按照国标HB5287-96《金属材料轴向加载疲劳试验方法》对标准材料进行试样的制取与加工。按照确定的三种处理工艺参数对原始试样分别进行表面改性处理。(2)对经过三种表面处理技术后的4145h钢进行了常温常压下的耐疲劳性研究。对不同表面改性处理的试样和原始试样进行旋转弯曲疲劳试验,在中短寿命区利用成组法进行实验数据的统计分析,在长寿命区采用配对升降法,得到了四种试样的S-N曲线;对实验结果进行分析,得到三种不同表面改性处理的试样与原始试样的疲劳S-N曲线的差异;利用扫描电子显微镜对疲劳试样的断口进行分析,研究了疲劳断裂的形成、扩展,得到不同工艺试样疲劳裂纹源区、扩展区和瞬断区的差异。(3)对经过三种表面处理技术后的4145h钢进行了常温常压下的耐磨性研究。四种试样分别进行耐磨性实验,得到了三种磨损量与时间的关系曲线,分析三种表面处理技术对试样的耐磨性的影响。实验发现,在短期磨损过程中CVD处理技术对试样耐磨性增强较大。利用显微硬度仪器对试样沿径向方向进行测试,得到硬度值与距表面深度的关系曲线。(4)对经过三种表面处理技术后的4145h钢进行了常温常压下的耐腐蚀性研究。四种试样分别进行饱和C02溶液腐蚀实验,通过公式计算得出在不同浸泡时间下四种试样的腐蚀速率。将三种表面处理试样与原始试样的腐蚀速率与时间关系曲线做对比,分析三种表面处理技术对材料的耐腐蚀性的影响。利用扫描电镜对试样断口和腐蚀表面形貌进行观察分析。