热处理对膨胀套管残余奥氏体含量及力学性能的影响_魏淼.pdf

热处理工艺热处理对膨胀套管残余奥氏体含量及力学性能的影响魏淼，米永峰，石晓霞，何建中，姜 海龙，张行刚，蔻沙 沙（内蒙古包钢钢管有限公司，内蒙古包头）摘要：研究不同热处理工艺对膨胀套管残余奥氏体含量及力学性能的影响。结果表明：与淬火高温回火热处理工艺相比，采用淬火亚温正火高温回火热处理工艺可获得更多残余奥氏体，而适量的残余奥氏体改善了材料的综合力学性能，降低了屈强比，提高了膨胀套管的塑性和靭性，使材料均匀延伸率由提升至，满足膨胀要求。关键词：膨胀套管；热处理；残余奥氏体；塑性；韧性：，开放科学（资源服务）标识码（）：，（，）：，：；膨胀套管作为一种高技术含量的石油专用管产品，不仅要求材料膨胀前具有足够的塑性和韧性保证其膨胀过程，还要求 材料在膨胀后能达到标准相应钢级套管的力学性能，才能确保其服役安全。尤其是对于“等井径钻井技术”来说，膨胀套管在塑性、韧性方面的要求更加严格。为了满足不同膨胀量的需求，膨胀套管在膨胀前须具有良好的塑性及靭性。膨胀套管采用 低碳、中锰、微合金含铝体系，通过热处理使钢中获得残余奥氏体，利用残余奥氏体在变形过程中逆相变特性，使管材具有 髙强 度的同时又具有良好的塑性。魏淼（），女，工程师，从事无缝钢管的产品研发及质量攻关工作。本文采用彩色金相、射线衍射仪、万能拉伸试验机等分析手段研究不同热处理工艺对膨胀套管残余奥氏体含量及力学性能的影响。试验材料及方法材料试验用钢级膨胀套管的化学成分见（质量分数）表。采用高炉铁水为原料，经铁水预脱硫处理、真空顶底复吹转炉 冶炼、钢包炉精炼、真空处理、圆坯连铸，穿 孔 轧制成 规格 为￥的无缝钢管。利用 全自动 相变仪测试试验钢的奥氏体转 变开始温度）和奥氏体转变终了温度），得到，为丈、为丈。，钢管年月第卷第期热处理工艺根据射线衍射原理，物相的射线衍射线累积强度随该相在试样中的相对含量的增加而提高，根据选定的马氏体相及奥氏体相衍射的累积强度，代人公式（）计算钢中残余奥氏体相的体积分数：（），（）其中，是钢中碳化 物相总量的体 积分数；和分别是钢中马氏体和奥氏体（）晶面衍射线的累积强度；是奥氏体（）晶面与马氏体（）晶面所对应的强度因子之比。根据公式计算得出号试样残余奥氏体含量为，号试样残余奥氏体含量为。表试验用膨胀套管的化学成分（质量分数）？彡 彡试验方法切取￥管样进行小炉热处理试验，工艺曲线如图所示。号试样经过 奥氏体化保温后水冷，随后在亚温正火保温，最后在丈高温回火保温；号试样经过：奥氏体化保温后水冷，随后在尚温回火保温。时间时间（）号试样（）号试样图试验钢热处理工艺曲线将热处理后的试样经砂纸研磨和抛光后用浓度的偏重亚硫酸钠水溶液与浓 度的苦味酸酒精溶液，以：体积混合后，再加人浓度为的浓盐酸的腐蚀溶液在：进行腐蚀，在光学显微镜下观察微观组织。同时根据套管和 油管规范标准，取横向肩宽为的板状拉伸试样，用液压拉伸试验机以的拉伸速度在室温下进行拉伸试验；切取纵向 夏比型缺口冲击试样，在试验机进行丈低温冲击试验为了研究热处理后试样中残余奥氏体的含量，使用荷兰帕纳科公司型射线衍射仪进行射线衍射试验，其试验参数为：铜靶、电压、电流、步宽为。精确测定试样中残余奥氏体含量，马氏体选择（）、（）两晶面的衍射线，残余奥氏体选用（）、（）、（）三晶面的衍射线，共条衍射线进行步进扫描，精确测定对应的衍射角。试验结果及讨论残余奥氏体的定量分析试验钢的射线衍射谱及标定如图所示。魏淼等：热处理对膨胀套管残余奥氏体含量及力学性能的影响 （）（）（）号试样（）号试样（）（）（）（）（）图试验钢射 线衍射彩色显微组织分析通过使用偏重亚硫酸钠水溶液和苦味酸酒精溶液的混合溶液进行腐蚀，腐蚀后观察号、号试样彩色显微组织，如图所示。图 中蓝灰色或蓝绿色为铁素体，黄色为马氏体，亮白色为残余奥氏体，而贝氏体为深褐色。从图片可以看出，号试样显微组织主要为 马氏体残余奥氏体少量贝氏体少量铁素体，残余奥氏体呈三角状和块状分布；号试样显微组织主要为铁素体贝氏体马氏体。号试样萍火后得到 马氏体，随后通过亚温正火进人两相区，在保温过程中将元素、元素在奥氏体中富集和再配分，加快马氏体向奥氏体转变，使 残余奥氏体的稳定性提髙并能够保留到室温，随后再采用 高温回火，降低其强度，获得更好的塑性和韧性。号试样采用粹火后在 丈高温回火，而该材料的温度 为；，高温回火温度低于木温度，未形成残余奥氏体。膨胀前力学性能不同热处理工艺下试验钢力学性能见表，应力应 变曲线如图所示。从力学性能可以看出，钢管年月第卷第期 犟 一、趔顗鞀兹 热处理工艺体转变而产生逐渐硬化，变形不再集中于局部，而是扩散至整体达到均匀，即发生相变诱导塑性（）效应，说明残余奥氏体的存在有利于材料在膨胀过程中不易发生应力集中开裂的现象。在膨胀技术使用过程中膨胀套管的膨胀变形率低于均匀延伸率，为满足膨胀过程中大膨胀 变形率，其均匀延伸率应该大于才能保证膨胀后的膨胀套管仍具有较好的性能。从力学性能看，号试样完全满足 大膨胀变形对材料的要求。结论（）采用淬火亚温正火高温回火热处理工艺和淬火高温回火热处理工艺，使材料分别获得和的残余奥氏体，在高温回火前进行亚温正火可使膨胀套管室温时获得更多的残余奥氏体。残余奥氏体组织以三角状和块状分布。（）保留适量的残余奥氏体，可改善材料的综合力学性能，降低屈强比，提高塑性和韧性。（）采用淬火亚温正火高温回火热处理工艺可获得更多残余奥氏体，残余奥氏体含量的增加可使材料均匀延伸率由提升至，满足膨胀过程中大膨胀变形率对材料均匀延伸率大于的要求，使材料在膨胀后仍具有较好的性能。参考文献王卫卫，李光瀛，胡霄雨，等含残余奥氏体双相钢彩色金 相 染色剂及彩色显示方法：钢中残余奥氏体定量测定射线衍射仪法：一 白强，杨伟方，李 德君，等高性能钢铁材料在实体膨胀管领域的应用前景钢铁研究学报，（）：潘峰，颜云峰，徐宝顺，等高压锅炉管用钢的热处理研究钢管，（）：陈忠，王林林单面淬火冷却 装置在钢淬火 热处理上的应用钢管，（）：！杨献平钢钢级石油套管 热处理工艺研究钢管，（）：谢凯意钢级油管的热处理工艺试验钢管，（）：刘日新，刘金海，刘 怀章，等钢管热处理过程的“黑匣子”动态温度测试钢管，（）：王伟，王威，任学平，等水淬钢 调质热处理工艺的研究钢管，（）：邓尔康冷轧精密 钢管用 芯棒的选 材和热处理钢管，（）：陶学智，赵永恒，刘东 升，等钢管在线水淬热处理工艺钢管，（）：郭元蓉，吴红，陈雨，等厚壁钢管的热处理工艺优化钢管，（）：李学辉，张文，代金水芯棒的新型热处理设备钢管，（）：（收稿日期：；修定日期：）（）号试样（）号试样图试验钢的应力应变曲线在膨胀过程中变形诱发钢中残余奥氏体向马氏（）号试样（）号试样图试验钢 彩色显微组织号试样较号试样具有更低的屈强比、更髙的 冲击 功，低的屈强比利于在膨胀过程中膨胀管变形，不易发生应力集中开裂的现象。同时号试样的伸长率为，号试样的伸 长率为；号试样的均匀延伸率为，号试样的均匀延伸率为。两种不同热处理工艺下材料残余奥氏体含量不同，在形变过程中稳定性不一样，因而最终影响材料的塑性不同，也说明材料中含有更多的残余奥氏体可提高钢的塑性和軔性。表不同热处理工艺下试验钢的力学性能试样屈服强度抗拉强度屈强比伸长率冲击功编号 （，