復(fù)相化對(duì)鉆桿材料組織和性能的影響

西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 左冬聲

復(fù)相化對(duì)鉆桿材料組織和性能的影響

西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 左冬聲

金屬材料是最主要的結(jié)構(gòu)材料，各個(gè)國(guó)家一直把高性能金屬材料的研究作為材料研究的重要內(nèi)容之一。金屬材料存在的主要問(wèn)題是強(qiáng)度有余而韌性不足，或者韌性有余而強(qiáng)度不足。圍繞金屬的強(qiáng)韌化，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量的研究工作，提出了許多強(qiáng)韌化途徑，如通過(guò)合金化、沉淀析出、晶粒細(xì)化、形變強(qiáng)化等多方面的綜合作用來(lái)實(shí)現(xiàn)，但其效果還不能滿足需要，而且成本高、生產(chǎn)工藝復(fù)雜。隨著科技的發(fā)展，特別是先進(jìn)材料測(cè)試儀器的出現(xiàn)，人們對(duì)金屬材料的微觀組織、強(qiáng)韌化方式又有了新的認(rèn)識(shí)。按照新的強(qiáng)韌化思路進(jìn)行組織設(shè)計(jì)，可通過(guò)控制成分和工藝獲得復(fù)相組織來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)韌化。20世紀(jì)70年代，人們通過(guò)微合金化獲得馬氏體–鐵素體雙相鋼，簡(jiǎn)稱(chēng)雙相鋼。這種鋼屈服強(qiáng)度低、抗拉強(qiáng)度高，并且具有連續(xù)屈服行為，在塑性變形初期具有較高的加工硬化率，因此被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)構(gòu)件制造、輸油管道制造、壓力容器制造等領(lǐng)域。

鉆桿是石油、天然氣開(kāi)采和地質(zhì)勘探中的重要結(jié)構(gòu)件，也是石油鉆柱的主要構(gòu)件。鉆桿在鉆進(jìn)過(guò)程中不僅承受著由交變載荷引起的應(yīng)力突變，還承受著鉆桿渦動(dòng)和振動(dòng)引起的瞬時(shí)巨大沖擊載荷，再加上工作條件比較惡劣，常常發(fā)生低應(yīng)力脆斷、疲勞或腐蝕疲勞等問(wèn)題，這些失效形式都是由材料韌性偏低造成的，因此，鉆桿材料的強(qiáng)韌性匹配就顯得尤為重要。

本文，筆者采用亞溫淬火的熱處理工藝，對(duì)S135鉆桿材料進(jìn)行復(fù)相化處理，研究了復(fù)相組織中馬氏體含量對(duì)鉆桿材料拉伸和沖擊性能的影響, 并初步探討了其斷裂機(jī)理。

一、試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料選用優(yōu)質(zhì)S135鉆桿，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為C（0.32%） ，Si（0.24%），Mn（0.85%），P（0.007%），S（0.004%），Cr（1.02%），Ti（0.06%），Cu（0.06%），F(xiàn)e余量。微觀組織為調(diào)質(zhì)處理后回火索氏體組織，該鉆桿在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下縱向沖擊韌性為80J（7.5 mm×10 mm×10 mm試樣）。

將試樣分別在760 ℃，780 ℃，800 ℃的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%的NaCl+質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%的BaCl2浴中保溫12 min，水淬。獲得復(fù)相組織，然后250 ℃回火處理1 h。采用4 %硝酸酒精溶液化學(xué)侵蝕，使用Axiovert 405M金相顯微鏡（OM）及MicroimageAnalysis&process軟件對(duì)顯微組織進(jìn)行觀察和定量分析。

熱處理后的材料按照GB228-87加工成截面5 mm試樣，試樣的標(biāo)距尺寸為25 mm。利用在WDS-100型電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，每組取3個(gè)試樣，求平均值。沖擊試驗(yàn)采用夏比V型缺口試樣，試樣尺寸為7.5 mm×10 mm×55 mm。沖擊試驗(yàn)在JBC-300型示波沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，每組取3個(gè)試樣，求平均值。

二、結(jié)果與討論

1. 復(fù)相化處理對(duì)S135鉆桿顯微組織的影響。圖1為不同溫度復(fù)相化處理后顯微組織形貌。圖1（a），1（b），1（c）和1（d）分別為原始材料、760 ℃、780 ℃和800 ℃復(fù)相化處理后材料的顯微組織，侵蝕劑為4%的硝酸酒精溶液。

圖1 不同溫度復(fù)相化處理后的顯微組織形貌

由圖1可見(jiàn)，原始材料的顯微組織為回火索氏體組織，如圖1（a）所示。經(jīng)760 ℃、780 ℃和800 ℃復(fù)相化處理后得到F+M組織，其中鐵素體呈白亮色，馬氏體呈灰色。由圖1（b）可見(jiàn)，當(dāng)復(fù)相化處理溫度為760 ℃時(shí)，顯微組織為F+M組織，其中馬氏體呈板條狀分布于多邊形的鐵素體基體上。定量分析表明，馬氏體的含量為27.2%，鐵素體的含量為62.8%。由圖1（c）和1（d）可見(jiàn)，隨著復(fù)相化處理溫度的升高，馬氏體含量增加，鐵素體含量減少，馬氏體逐漸連成一片，以島狀或片狀分布于鐵素體基體上。定量分析結(jié)果表明，復(fù)相化溫度為780 ℃時(shí)馬氏體含量為43.1%，鐵素體含量為56.9%；復(fù)相化溫度為800 ℃時(shí)，馬氏體含量為61.5%，鐵素體含量為38.5%。

2. 復(fù)相化處理對(duì)S135鉆桿力學(xué)性能的影響。圖2為S135鉆桿材料經(jīng)不同溫度復(fù)相化處理后的應(yīng)力（σ）–應(yīng)變（ε）曲線。復(fù)相化處理后不同溫度下材料的力學(xué)性能影響見(jiàn)表2。

圖2 鉆桿材料在不同復(fù)相化溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表2 復(fù)相化處理對(duì)力學(xué)性能的影響

由圖2可見(jiàn)，試驗(yàn)材料的應(yīng)力–應(yīng)變曲線全為連續(xù)屈服；隨著復(fù)相化溫度的升高，材料的強(qiáng)度水平不斷提高；復(fù)相化溫度較低時(shí)，應(yīng)力–應(yīng)變曲線的最大應(yīng)力附近出現(xiàn)了一個(gè)較長(zhǎng)的屈服平臺(tái)。隨著復(fù)相化溫度的升高，強(qiáng)度和硬度顯著提高的同時(shí)，斷面收縮率、伸長(zhǎng)率和沖擊韌性卻在降低，塑性和韌性性能變差。復(fù)相化溫度為760 ℃時(shí)，塑性和韌性指標(biāo)降低很小，與原始材料差距不大，基本達(dá)到了強(qiáng)韌性的良好匹配。復(fù)相化溫度為780 ℃、800 ℃時(shí)，雖然強(qiáng)度很高，但塑性和韌性下降嚴(yán)重，性能較差。

三、結(jié)論

1. S135鉆桿鋼在3種不同溫度下淬火后，得到了馬氏體與鐵素體的復(fù)相組織。其中760 ℃淬火后，馬氏體含量為27.2%；780℃淬火后，馬氏體體含量為43.1%；800 ℃淬火后，馬氏體含量為61.5%。

2.760 ℃淬火后的馬氏體與鐵素體的復(fù)相組織，達(dá)到了強(qiáng)韌性的良好匹配；而780 ℃和800 ℃淬火后的復(fù)相組織，韌性和塑性較差。

3. 760 ℃的亞溫淬火處理是S135鉆桿鋼強(qiáng)韌化的有效途徑。