無(wú)磁鋼D 晶粒度與力學(xué)性能相關(guān)性研究

馬貴斌， 羅 瑞

(山西太鋼不銹鋼股份有限公司， 山西 太原 030003)

1 無(wú)磁鋼D 晶粒度與力學(xué)性能相關(guān)性研究實(shí)驗(yàn)的背景

無(wú)磁鋼D 是使用低碳高鉻錳合金制成的，它是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的化學(xué)成分配比后精煉并通過(guò)鍛造而達(dá)到其機(jī)械性能，具有良好的低磁導(dǎo)率、高強(qiáng)度的機(jī)械性能、極好的晶間耐腐蝕開(kāi)裂性能和優(yōu)異的的耐磨性。由于所有磁性測(cè)量?jī)x器在測(cè)量井眼的方向時(shí)，感應(yīng)的是大地的磁場(chǎng)，因而測(cè)量?jī)x器必須是一個(gè)無(wú)磁環(huán)境，然而在鉆井過(guò)程中，鉆具往往具有磁性，具有磁場(chǎng)，影響磁性測(cè)量?jī)x器，不能得到正確的井眼軌跡信息數(shù)據(jù)，利用無(wú)磁鋼鉆鋌可實(shí)施無(wú)磁環(huán)境，并且具有鉆井中鉆鋌的特性。無(wú)磁鋼D 的化學(xué)成分見(jiàn)表1，實(shí)物見(jiàn)圖1。

表1 無(wú)磁鋼D 的化學(xué)成分 %

圖1 實(shí)物圖片

無(wú)磁鋼D 生產(chǎn)工藝：電爐冶煉—電渣重熔—徑鍛溫鍛—?jiǎng)兤ぁ獧z驗(yàn)—交庫(kù)。

無(wú)磁鋼D 沖擊功不合問(wèn)題一直是困擾我們生產(chǎn)組織和合同兌現(xiàn)的問(wèn)題，鑒于此，課題組對(duì)煉鋼工藝和鍛造工藝進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)化學(xué)成分的變化對(duì)力學(xué)性能的影響較大，于是對(duì)不同成分的材料采用相同的鍛造工藝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)合鍛后材料的金相分析，尋找最佳的材料成分。

2 理論基礎(chǔ)

金屬是由許多晶粒組成的多晶體，晶粒的大小可以用單位體積內(nèi)晶粒的數(shù)目來(lái)表示，數(shù)目越多，晶粒越細(xì)。實(shí)驗(yàn)表明，在常溫下的細(xì)晶粒金屬比粗晶粒金屬有更高的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性。晶粒細(xì)化時(shí)，晶內(nèi)空位數(shù)目與位錯(cuò)數(shù)目都減少，位錯(cuò)與空位、位錯(cuò)間的交互作用幾率減小，位錯(cuò)易于運(yùn)動(dòng)，即塑性好。晶粒細(xì)小，裂紋穿過(guò)晶界進(jìn)入相鄰晶粒并改變方向的頻率增加，消耗的能量增加，韌性增加[1]。

3 實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

無(wú)磁鋼D 具有良好的強(qiáng)度和韌性，首次生產(chǎn)成分A 按標(biāo)準(zhǔn)中限控制，成分見(jiàn)表2。

表2 成分A %

生產(chǎn)后力學(xué)性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 成分A 對(duì)應(yīng)性能數(shù)據(jù)

由表3 可以看出，屈服強(qiáng)度Rp0.2和抗拉強(qiáng)度Rm可以滿足要求，但塑性指標(biāo)斷后伸長(zhǎng)率A 略低于標(biāo)準(zhǔn)值，而韌性指標(biāo)沖擊功沖擊功分別為42 J 和42.5 J，沖擊功卻遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)100 J，性能出現(xiàn)沖擊性能低的問(wèn)題。

為解決問(wèn)題，課題組首先對(duì)鍛造工藝等關(guān)鍵工藝進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)并無(wú)異常，說(shuō)明韌性異常與鍛造工藝無(wú)直接聯(lián)系。

圖2 徑鍛機(jī)溫鍛無(wú)磁鋼D 圖片

隨后課題組又嘗試通過(guò)熱處理中溫退火消除部分材料應(yīng)力，在強(qiáng)度不大幅度降低情況下提高韌性。

進(jìn)行了三種制度熱處理試驗(yàn)，熱處理后沖擊功，見(jiàn)表4。

表4 熱處理后沖擊功

根據(jù)結(jié)果可以看出，三種中溫退火溫度下，韌性指標(biāo)沖擊功沖擊功分別為62 J、76 J 和62 J，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)100 J 要求，因此，初步判斷簡(jiǎn)單的熱處理不能改善韌性。

后來(lái)課題對(duì)該批材料進(jìn)行了晶粒度分析，見(jiàn)圖3。

圖3 成分A 對(duì)應(yīng)材料晶粒度2～4 級(jí)

分析后發(fā)現(xiàn)晶粒度為2～4 級(jí)，晶粒粗大有可能為韌性指標(biāo)達(dá)不到要求的主要原因，為了印證這一猜想，課題組查閱相關(guān)資料，調(diào)整無(wú)磁鋼D 的化學(xué)成分，決定通過(guò)細(xì)化晶粒來(lái)改善無(wú)磁鋼D 的力學(xué)性能，優(yōu)化后成分B 見(jiàn)表5。

表5 成分B %

圖4 成分B 對(duì)應(yīng)材料晶粒度5-7 級(jí)

鍛造后對(duì)晶粒度進(jìn)行分析，見(jiàn)圖4，晶粒度為5-7 級(jí)，確實(shí)較之前有所細(xì)化。

然后課題組對(duì)該批材料進(jìn)行了相應(yīng)的力學(xué)性能檢驗(yàn)，數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

表6 成分B 對(duì)應(yīng)材料的力學(xué)性能

從表5 可以看出，經(jīng)過(guò)晶粒細(xì)化以后，無(wú)磁鋼D的力學(xué)性能得到極大改善，不僅抗拉強(qiáng)度Rm和屈服強(qiáng)度Rp0.2符合標(biāo)準(zhǔn)要求，而且斷面伸長(zhǎng)率A 也提高明細(xì)顯，最關(guān)鍵的是韌性指標(biāo)沖擊功沖擊功得到大幅提高，由原來(lái)的42J 和42.5J 提高到了168J 和275J，所有指標(biāo)完美達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

在鍛造工藝不變的前提下，通過(guò)成分調(diào)整，細(xì)化了無(wú)磁鋼D 的晶粒，晶粒細(xì)化后，裂紋穿過(guò)晶界進(jìn)入相鄰晶粒并改變方向的頻率增加，消耗的能量增加，韌性增加，沖擊功大大提高。

通過(guò)工藝摸索，課題組選擇最佳的成分成功解決了無(wú)磁鋼D 沖擊功不合的問(wèn)題，同時(shí)為后續(xù)無(wú)磁鋼產(chǎn)品的工藝優(yōu)化積累了經(jīng)驗(yàn)。