熱處理工藝對(duì)AISI SAE 8630 鍛件組織及力學(xué)性能的影響

杜衛(wèi)鋒， 李華軍， 富 銳， 管 鑫， 李云帥

（1.西安向陽(yáng)航天材料股份有限公司 陜西 西安 710025； 2.中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心有限公司， 北京 100044）

0 引言

陸地油氣資源的逐漸枯竭以及人們對(duì)能源需求的提高，世界各國(guó)正逐步將目光投向海樣石油的開發(fā)，這將進(jìn)一步促進(jìn)海洋石油勘探與生產(chǎn)的迅速發(fā)展， 這對(duì)人類社會(huì)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。 鋼懸鏈立管（SCR）是一種新型的海上石油開采裝備， 具有建造成本低、 便于安裝、高的結(jié)構(gòu)性能、可用于高溫高壓作業(yè)等特點(diǎn)，在海洋石油開發(fā)和石化工業(yè)中發(fā)揮著重要的作用[2]。柔性接頭是連接SCR 和浮式平臺(tái)之間的一個(gè)重要連接件，它能夠承受較大的載荷，有效地降低SCR 與浮式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的應(yīng)力，從而提高SCR 的耐久度，同時(shí)也減少了資源的消耗[3]。 柔性接頭的工作環(huán)境比較復(fù)雜（風(fēng)、浪、高溫高壓以及腐蝕等），而彈性體作為柔性接頭的主要承力結(jié)構(gòu)，最易產(chǎn)生疲勞損傷[4]。 彈性體是由若干同心環(huán)狀的橡膠層和合金鋼通過(guò)特殊處理方式使其交替地粘接在一起， 因此合金鋼的選擇以及加工方式對(duì)于彈性體能否正常工作具有極大的影響。

相對(duì)于陸地環(huán)境，海水中的溶解氧、氯離子等因素也是影響海洋環(huán)境的重要因素。 海上石油開采裝備安裝和運(yùn)行時(shí)，除了會(huì)受到各種負(fù)荷的影響外還會(huì)遭受油氣介質(zhì)介質(zhì)所造成的腐蝕。在海上石油開采裝備中，大多數(shù)零部件都采用調(diào)質(zhì)鋼進(jìn)行制造， 其主要鍛件是以AISI 8630 等低碳合金鋼為主，使用范圍較廣[5]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)AISI 8630 也進(jìn)行了大量的研究，為滿足高強(qiáng)度、高硫化氫腐蝕性能的需求，開展了微合金優(yōu)化設(shè)計(jì)及熱處理工藝研究。 結(jié)合目前的發(fā)展需求，本文對(duì)AISI 8630 合金鋼鍛件進(jìn)行了相應(yīng)熱處理工藝試驗(yàn)，并對(duì)其微觀組織和力學(xué)性能進(jìn)行了分析研究，為進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用提供了技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)所用AISI SAE 8630 合金結(jié)構(gòu)鋼鑄錠經(jīng)VOD 工藝（EAF+LF+VOD）熔煉而成，并采用墩拔工藝對(duì)鑄錠進(jìn)行鍛造，其總鍛比為5.4，AISI SAE 8630 鍛件實(shí)測(cè)化學(xué)成分如表1 所示。

表1 AISI 8630 鍛件的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

2 熱處理工藝

本次熱處理是在臺(tái)式電阻爐上進(jìn)行的，通過(guò)調(diào)質(zhì)Q+T 對(duì)鍛件進(jìn)行熱處理。 熱處理溫度-時(shí)間記錄曲線如圖1所示，將AISI SAE 8630 鍛件加熱至650±10℃，保溫4h 后再次加熱至900±10℃，在900℃處保溫5h 后進(jìn)行淬火。本次的淬火工藝選用JEF 水溶性淬火介質(zhì)對(duì)鍛件進(jìn)行淬火，這種淬火介質(zhì)的冷卻速度介于鹽水和油之間，具有較快的冷卻速度和良好的淬透性[6]。同時(shí)能夠減少鍛件淬火應(yīng)力的產(chǎn)生，獲得較高的硬度和淬硬層深度，保證工件不會(huì)產(chǎn)生開裂現(xiàn)象。回火溫度為500±10℃，保溫時(shí)間為10 h，目的是消除淬火后的殘余應(yīng)力，改善和提高其加工性能。

圖1 實(shí)際熱處理溫度-時(shí)間記錄曲線

在進(jìn)行熱處理后，需對(duì)鍛件進(jìn)行超聲檢測(cè)（見(jiàn)圖2），檢測(cè)是否存在缺陷或者厚度不均勻的現(xiàn)象。 超聲波是一種應(yīng)用非常廣泛的非破壞性檢測(cè)方法，它的優(yōu)點(diǎn)是：具有高的檢測(cè)靈敏度，可以對(duì)微小的裂縫進(jìn)行檢測(cè)，并具有很強(qiáng)的穿透性， 可以對(duì)厚截面鑄件進(jìn)行檢測(cè)。 本次實(shí)驗(yàn)采用的檢測(cè)設(shè)備為USM 35XS，檢 測(cè) 標(biāo)準(zhǔn)為ASTM A388， 通過(guò)手動(dòng)接觸法對(duì)增強(qiáng)鋼板進(jìn)行超聲波檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)有可記錄的缺陷，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖2 超聲檢測(cè)示意圖

3 性能檢測(cè)和結(jié)果

（1）拉伸性能。本次室溫拉伸試驗(yàn)的拉伸溫度為20 ℃，采用的引伸計(jì)為50mm，AISI SAE 8630 工件熱處理后的室溫拉伸性能結(jié)果如表2 所示。由表中可知，拉伸后的試件具有1019MPa 的抗拉強(qiáng)度， 超過(guò)950MPa 的規(guī)定值；屈服強(qiáng)度達(dá)到918MPa，其規(guī)定值為835MPa；斷后伸長(zhǎng)率為13%。 此外，未發(fā)現(xiàn)機(jī)械損傷和裂紋等明顯的宏觀缺陷。

表2 拉伸性能檢測(cè)

（2）沖擊試驗(yàn)。沖擊試驗(yàn)通常用于測(cè)定產(chǎn)品在受到外力沖撞或影響時(shí)產(chǎn)品的可靠性、安全性和有效性。本次試驗(yàn)采用ASTMA370-2020 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)AISI SAE 8630 樣品進(jìn)行了低溫沖擊試驗(yàn)， 試驗(yàn)前需先將試樣在低溫介質(zhì)中保存一段時(shí)間，在溫度達(dá)到-25℃后快速取出進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。本次試樣取自同一工件，在橫向取三個(gè)試樣進(jìn)行測(cè)試，樣品尺寸為（55×10×10mm），試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。 從表中可以看出，試樣的沖擊吸收功平均值為99.3 J。

表3 -25℃沖擊（KV8）

（3）硬度檢測(cè)。 本次試驗(yàn)采用布氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試，布氏硬度所采用的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 231.1-2018，硬度檢測(cè)結(jié)果如圖3 所示。 測(cè)試硬度的試樣為經(jīng)過(guò)打磨拋光后的金相試樣，通常每個(gè)試樣取5 個(gè)硬度值，去掉其中的兩個(gè)最值，然后取剩余數(shù)據(jù)的平均值作為材料的維氏硬度值。由圖3 可以看出AISI SAE 8630 試樣的維氏硬度值波動(dòng)不大，去除最值后其硬度平均值為294HB，低于所規(guī)定的最大硬度值350HB。

圖3 布氏硬度

（4）金相檢測(cè)。 對(duì)熱處理后的AISI SAE 8630 鍛件進(jìn)行宏觀金相、晶粒度、顯微組織和非金屬夾雜物檢測(cè)。 圖4 所示為AISI SAE 8630 樣品的宏觀金相照，從檢測(cè)結(jié)果中未發(fā)現(xiàn)裂紋、管狀或中心空洞、有害非金屬夾雜物、剝落、模渣和其它缺陷。 本次采用平均晶粒度-比較法對(duì)晶粒度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)合500×金相照（圖5）計(jì)算出其平均晶粒度為6.5 級(jí)。 圖6 為AISI SAE 8630 樣品顯微組織金相照片，從圖中可以看出其組織包含針狀及塊狀鐵素體、珠光體以及貝氏體。本次試驗(yàn)采用非金屬夾雜物-A 法對(duì)8630樣品縱截面進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖7所示，其中A 類（細(xì)系）為1.0 級(jí)，D 類（細(xì)系）為1.0 級(jí)，除此之外未發(fā)現(xiàn)其它類型夾雜物。

圖5 平均晶粒度金相照（500×）

圖5 低倍宏觀圖

圖6 顯微組織金相照（500×）

（5）裂紋尖端張開位移試驗(yàn)。CTOD（裂紋尖端張開位移） 是指裂紋經(jīng)張開型載荷后原始裂紋尖端處裂紋兩表面相對(duì)于未變形裂紋表面張開的相對(duì)距離， 能夠反映裂紋尖端的材料抵抗開裂的能力， 主要用于衡量材料的斷裂韌性。 CTOD 的值與裂紋尖端處材料的抗開裂性能呈正比，是斷裂力學(xué)中唯一能夠直接進(jìn)行觀察的參量。作為目前彈塑性斷裂力學(xué)分析方法中使用最為廣泛的一種分析方法，CTOD 在材料和工藝選擇以及工程構(gòu)件的安全性評(píng)定中獲得了極大的應(yīng)用。

本次試驗(yàn)對(duì)AISI SAE 8630 工件在120°、240°以及360°方位分別進(jìn)行取樣，對(duì)應(yīng)的樣品編號(hào)為7-1、7-2、7-3。根據(jù)文件GB/T 21143-2014 進(jìn)行裂紋尖端張開位移試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示，其中a0代表初始裂紋長(zhǎng)度；Fmax為預(yù)制疲勞裂紋時(shí)的最大力；Vp為V （缺口張開位移）的塑性分量；δ 代表裂紋尖端張開位移。 通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，三個(gè)樣品的δ 平均值為0.1282mm，表明AISI SAE 8630 工件的裂紋尖端具有較好的抗開裂性能。

表4 裂紋尖端張開位移

（6）抗硫化物應(yīng)力開裂試驗(yàn)。 根據(jù)ISO 7539-2：1989對(duì)AISI SAE 8630 樣件進(jìn)行抗硫化物應(yīng)力開裂試驗(yàn)-四點(diǎn)彎曲法檢測(cè)，本次試驗(yàn)選取三個(gè)試樣，分別為A1、A2、A3，試樣的檢測(cè)結(jié)果如表5 所示。從表中可以看出送檢樣品（A1、A2、A3）在25～27℃標(biāo)準(zhǔn)A 溶液中（0.5wt%CH3COOH+5wt%NaCl），加載應(yīng)力為492 MPa（80% AYS）時(shí)，經(jīng)720 h試驗(yàn)后，三個(gè)試樣均未發(fā)生斷裂；在10 倍放大鏡下觀察，所有試樣表面均未發(fā)現(xiàn)裂紋。 圖8 為試驗(yàn)后試樣的宏觀照片。

圖8 試驗(yàn)后試樣宏觀照

表5 抗硫化物應(yīng)力開裂試驗(yàn)

4 結(jié)論

通過(guò)墩拔工藝對(duì)AISI SAE 8630 合金鋼進(jìn)行鍛造，總鍛比為5.4，通過(guò)調(diào)質(zhì)Q+T 工藝對(duì)鍛件進(jìn)行熱處理，超聲檢測(cè)結(jié)果顯示未發(fā)現(xiàn)缺陷的產(chǎn)生。

金相組織檢測(cè)顯示在AISI SAE 8630 樣品中并未發(fā)現(xiàn)機(jī)械損傷、裂紋、有害非金屬夾雜物等宏觀缺陷，力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果表明AISI SAE 8630 鍛件具有良好的綜合性能。

結(jié)合CTOD 和抗SSC 試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)工件的裂紋尖端具有較好的抗開裂性能及優(yōu)異的抗硫化物應(yīng)力開裂性能。