等溫溫度對N80級石油套管鋼組織性能的影響

陳曦 方藝蒙 曹寶山 魏文華 馬慶巖 萬榮春 龔勛

石油套管鋼用量占的全部石油工業(yè)用鋼用鋼的30%左右，而且只能一次性使用，因此需求極大[1-3]。N80級常用的直縫焊石油套管鋼，按照SY/ T 5989-2019《直縫電阻焊套管》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求其要有高的強(qiáng)度（屈服強(qiáng)度不低于552MPa，抗拉強(qiáng)度不低于689MPa），低的屈強(qiáng)比，良好的塑性韌性（斷后伸長率不低于16%，0℃橫向KV不低于32J）和焊接性[4-6]。而要獲得良好的綜合力學(xué)性能，石油套管鋼生產(chǎn)過程中控軋控冷的工藝尤為關(guān)鍵。

本文以N80級石油套管鋼作為試驗(yàn)鋼，利用固溶、奧氏體化和等溫等熱處理方法模擬了控軋控冷過程中的一些關(guān)鍵的溫度參數(shù)，研究不同等溫溫度對 N80級石油套管鋼顯微組織和力學(xué)性能的影響。通過分析和討論，確定最佳的等溫處理溫度參數(shù)，從而為N80級石油套管鋼控軋控冷過程中的一些關(guān)鍵的溫度參數(shù)制定提供依據(jù)。

1試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)鋼在500Kg中頻感應(yīng)電爐熔煉，澆注200Kg鑄錠，然后加熱到1200℃，熱鍛成10 mm厚的板材。試驗(yàn)鋼的具體化學(xué)成分如表1所示。

將熱鍛后的板材切割成300mm×200mm×10mm塊狀試樣，然后進(jìn)行熱處理，具體熱處理工藝如圖1所示。

將熱處理后的試樣制備成金相試樣，用型號為Axio Vert.A1蔡司倒置式顯微鏡觀察并拍照，利用Image-Pro Plus軟件進(jìn)行組織分析。將熱處理后的試樣制備成透射電鏡試樣，利用H-800 型日立透射電鏡觀察試樣的精細(xì)組織與粒子析出情況。

將熱處理后的塊狀試樣按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制成拉伸試樣，在CTM9300微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能測試（每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)代表3個(gè)平行試樣的平均值），拉伸速率為1×10-3 s-1。將熱處理后的試樣按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制成V型缺口試樣，在JB-W300A微機(jī)控制沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行低溫韌性沖擊試驗(yàn)（每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)代表3個(gè)平行試樣的平均值），沖擊溫度為0℃。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1微觀組織

試驗(yàn)鋼經(jīng)900℃奧氏體化不同等溫溫度處理后的組織如圖2所示，試驗(yàn)鋼在不同等溫溫度處理后的組織明顯不同。在500℃等溫處理時(shí)，試驗(yàn)鋼的組織為鐵素體（F）+貝氏體（B）+少量珠光體（P）。如圖2a所示，白色塊狀的區(qū)域?yàn)殍F素體組織，黑白相間板條狀的區(qū)域?yàn)樨愂象w組織，黑色塊狀的區(qū)域?yàn)橹楣怏w組織。隨著等溫溫度提高（550℃時(shí)），試驗(yàn)鋼組織為鐵素體+貝氏體+少量珠光體，組織中鐵素體和珠光體體積分?jǐn)?shù)略有增加，貝氏體體積分?jǐn)?shù)略有減少，組織變化不太明顯，如圖2b所示。當(dāng)?shù)葴販囟冗_(dá)到600℃時(shí)（圖2c），試驗(yàn)鋼組織為鐵素體+珠光體+少量貝氏體，組織中鐵素體體積分?jǐn)?shù)明顯增加，珠光體和貝氏體體積分?jǐn)?shù)則明顯減少。

圖3為試驗(yàn)鋼不同等溫溫度處理后試驗(yàn)鋼組織中鐵素體平均晶粒尺寸和體積分?jǐn)?shù)變化趨勢。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，隨著等溫溫度升高，試驗(yàn)鋼組織中鐵素體平均晶粒尺寸增大，體積分?jǐn)?shù)也增多。但等溫溫度從500℃升高到550℃時(shí)，鐵素體平均晶粒尺寸從5.8μm增加到6.2 μm，體積分?jǐn)?shù)從39 %增加到42%，鐵素體平均晶粒尺寸和體積分?jǐn)?shù)變化不明顯。當(dāng)?shù)葴販囟冗_(dá)到600℃，鐵素體平均晶粒尺寸達(dá)到10.1 μm，體積分?jǐn)?shù)達(dá)到72%，鐵素體晶粒明顯粗化，體積分?jǐn)?shù)也明顯增加。這說明，當(dāng)?shù)葴販囟葟?00℃升高到550℃時(shí)，等溫溫度對試驗(yàn)鋼組織中的鐵素體沒有明細(xì)影響，但到溫度升高到600℃時(shí)，鐵素體晶粒明顯粗化，體積分?jǐn)?shù)明顯增加。

圖4為550℃等溫處理后試驗(yàn)鋼在透射電鏡下典型組織。圖4a為板條狀貝氏體，主要由碳過飽和板條鐵素體和碳化物組成，在鐵素體內(nèi)部存在高的位錯(cuò)密度和晶格畸變[7]。圖4b為珠光體和鐵素體組織，其中黑白相間的層片區(qū)域?yàn)橹楣怏w。

如圖5所示為試驗(yàn)鋼經(jīng)900℃奧氏體化不同等溫溫度處理后組織中析出第二相粒子。由于試驗(yàn)鋼中添加了Nb、V和Ti等微合金元素，這些微合金元素容易在鋼中析出碳氮化物，所以試驗(yàn)鋼中析出第二相粒子應(yīng)該是Nb、V和Ti等微合金元素的碳氮化物。從圖5中可以看到，第二相粒子的尺寸在幾納米到10～20納米之間。此外還可以發(fā)現(xiàn)，隨著等溫溫度升高，試驗(yàn)鋼中第二相粒子數(shù)量也明顯增加，600℃等溫處理時(shí)，試驗(yàn)鋼中第二相粒子數(shù)量最多。

2.2力學(xué)性能

如圖6為試驗(yàn)鋼經(jīng)900℃奧氏體化不同等溫溫度處理后的屈服強(qiáng)度（ReL）、抗拉強(qiáng)度（Rm）、斷后伸長率（A）和沖擊韌性（KV，0℃）的平均值對比。從圖6中可以看到隨著等溫溫度的升高，試驗(yàn)鋼強(qiáng)度逐漸下降，600溫度等溫時(shí)下降最為明顯。然而，試驗(yàn)鋼的斷后伸長率和沖擊韌性則呈現(xiàn)隨等溫溫度的升高逐漸上升的趨勢。

從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)鋼等溫溫度從500℃升高到550℃時(shí)，強(qiáng)度則略有上升（ReL增加了4MPa，Rm增加了10MPa），但當(dāng)?shù)葴販囟?00℃時(shí)，強(qiáng)度出現(xiàn)明顯下降（ReL增加了105MPa，Rm增加了135MPa）。再來看，試驗(yàn)鋼等溫處理溫度從500℃升高到550℃時(shí)其斷后伸長率和沖擊韌性增加量（A增加5%，KV增加12J）略微大于等溫處理溫度從550℃升高到600℃時(shí)其斷后伸長率和沖擊韌性增加量（A增加2%，KV增加10J）。綜上所述，經(jīng)900℃奧氏體化550℃等溫溫度處理后，試驗(yàn)鋼具有最佳的綜合力學(xué)性能，這時(shí)試驗(yàn)鋼有最高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，還有良好的塑性（A）和韌性（KV，0℃）。同時(shí)能滿足SY/T 5989-2019標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定N80級直縫焊套管鋼的力學(xué)性能[6]。

結(jié)合試驗(yàn)鋼組織（圖2）來看，等溫溫度為500℃和550℃時(shí)組織差別不，貝氏體、鐵素體和珠光體體積分?jǐn)?shù)基本接近，鐵素體平均晶粒尺寸（圖3）也基本相近，所以試驗(yàn)鋼等溫溫度為500℃和550℃時(shí)力學(xué)性能也基本相近。但由于等溫溫度為550℃時(shí)試驗(yàn)鋼中析出的第二相粒子數(shù)量明顯高于其在500℃溫度等溫處理時(shí)析出的第二相粒子數(shù)量（如圖5所示），第二相粒子強(qiáng)化明顯，試驗(yàn)鋼等溫溫度從500℃升高到550℃時(shí)，強(qiáng)度則略有上升。當(dāng)試驗(yàn)鋼等溫溫度達(dá)到600℃時(shí)，盡管試驗(yàn)鋼中析出的第二相粒子數(shù)量進(jìn)一步增加，但由于組織中貝氏體和珠光體體積分?jǐn)?shù)明顯下降，其強(qiáng)度也出現(xiàn)明顯下降，塑性韌性則明顯提高。

3結(jié)論

（1）等溫溫度對試驗(yàn)鋼組織的影響是：當(dāng)從500℃升高到550℃，等溫溫度對試驗(yàn)鋼不同的組織體積和晶粒尺寸影響不明顯；但當(dāng)?shù)葴販囟壬叩?00℃時(shí)，鐵素體晶粒明顯粗化，鐵素體體積分?jǐn)?shù)明顯增加，珠光體和貝氏體體積分?jǐn)?shù)明顯減少。

（2）等溫溫度對試驗(yàn)鋼力學(xué)性能的影響是：當(dāng)從500℃升高到550℃，試驗(yàn)鋼屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度略有上升，塑性韌性明顯提高；但到溫度升高到600℃時(shí)，試驗(yàn)鋼屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度明顯下降，塑性韌性繼續(xù)提高。試驗(yàn)鋼最佳的等溫處理溫度為550℃。

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[7] 劉宗昌.貝氏體與貝氏體相變[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2009.

作者簡介：陳曦（1993-），女，碩士，助教，主要研究方向：金屬材料組織與性能，腐蝕與防護(hù)；Email：352220626@ qq.com。

通訊作者：龔勛（1983-），男，博士后，研究員，研究方向：產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)，E-mail：gongxun83@aliyun.com

基金項(xiàng)目：中國船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院《國外材料領(lǐng)域國防實(shí)驗(yàn)室軍民融合發(fā)展策略研究》項(xiàng)目

（作者單位：陳曦，渤海船舶職業(yè)學(xué)院材料工程系；方藝蒙，四川大學(xué)匹茲堡學(xué)院；曹寶山，遼寧順達(dá)機(jī)械制造（集團(tuán)）有限公司；魏文華、馬慶巖、龔勛，葫蘆島市軍民融合和新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心；萬榮春，渤海船舶重工有限責(zé)任公司博士后流動(dòng)站）