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》標準規定要求其要有高的強度（屈服強度不低于552MPa，抗拉強度不低于689MPa），低的屈強比，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性能，石油套管鋼生產過程中控軋控冷的工藝尤為關鍵。

本文以N80級石油套管鋼作為試驗鋼，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鍵的溫度參數，研究不同等溫溫度對 N80級石油套管鋼顯微組織和力學性能的影響。通過分析和討論，確定最佳的等溫處理溫度參數，從而為N80級石油套管鋼控軋控冷過程中的一些關鍵的溫度參數制定提供依據。

1試驗材料與方法

試驗鋼在500Kg中頻感應電爐熔煉，澆注200Kg鑄錠，然后加熱到1200℃，熱鍛成10 mm厚的板材。試驗鋼的具體化學成分如表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組織與粒子析出情況。

將熱處理后的塊狀試樣按照相關標準制成拉伸試樣，在CTM9300微機控制電子萬能試驗機上進行力學性能測試（每個數據點代表3個平行試樣的平均值），拉伸速率為1×10-3 s-1。將熱處理后的試樣按照相關標準制成V型缺口試樣，在JB-W300A微機控制沖擊試驗機上進行低溫韌性沖擊試驗（每個數據點代表3個平行試樣的平均值），沖擊溫度為0℃。

2試驗結果與分析

2.1微觀組織

試驗鋼經900℃奧氏體化不同等溫溫度處理后的組織如圖2所示，試驗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，試驗鋼的組織為鐵素體（F）+貝氏體（B）+少量珠光體（P）。如圖2a所示，白色塊狀的區域為鐵素體組織，黑白相間板條狀的區域為貝氏體組織，黑色塊狀的區域為珠光體組織。隨著等溫溫度提高（550℃時），試驗鋼組織為鐵素體+貝氏體+少量珠光體，組織中鐵素體和珠光體體積分數略有增加，貝氏體體積分數略有減少，組織變化不太明顯，如圖2b所示。當等溫溫度達到600℃時（圖2c），試驗鋼組織為鐵素體+珠光體+少量貝氏體，組織中鐵素體體積分數明顯增加，珠光體和貝氏體體積分數則明顯減少。

圖3為試驗鋼不同等溫溫度處理后試驗鋼組織中鐵素體平均晶粒尺寸和體積分數變化趨勢。從圖3中可以發現，隨著等溫溫度升高，試驗鋼組織中鐵素體平均晶粒尺寸增大，體積分數也增多。但等溫溫度從500℃升高到550℃時，鐵素體平均晶粒尺寸從5.8μm增加到6.2 μm，體積分數從39 %增加到42%，鐵素體平均晶粒尺寸和體積分數變化不明顯。當等溫溫度達到600℃，鐵素體平均晶粒尺寸達到10.1 μm，體積分數達到72%，鐵素體晶粒明顯粗化，體積分數也明顯增加。這說明，當等溫溫度從500℃升高到550℃時，等溫溫度對試驗鋼組織中的鐵素體沒有明細影響，但到溫度升高到600℃時，鐵素體晶粒明顯粗化，體積分數明顯增加。

圖4為550℃等溫處理后試驗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，在鐵素體內部存在高的位錯密度和晶格畸變[7]。圖4b為珠光體和鐵素體組織，其中黑白相間的層片區域為珠光體。

如圖5所示為試驗鋼經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，所以試驗鋼中析出第二相粒子應該是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。此外還可以發現，隨著等溫溫度升高，試驗鋼中第二相粒子數量也明顯增加，600℃等溫處理時，試驗鋼中第二相粒子數量最多。

2.2力學性能

如圖6為試驗鋼經900℃奧氏體化不同等溫溫度處理后的屈服強度（ReL）、抗拉強度（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，試驗鋼強度逐漸下降，600溫度等溫時下降最為明顯。然而，試驗鋼的斷后伸長率和沖擊韌性則呈現隨等溫溫度的升高逐漸上升的趨勢。

從圖6中可以發現，試驗鋼等溫溫度從500℃升高到550℃時，強度則略有上升（ReL增加了4MPa，Rm增加了10MPa），但當等溫溫度600℃時，強度出現明顯下降（ReL增加了105MPa，Rm增加了135MPa）。再來看，試驗鋼等溫處理溫度從500℃升高到550℃時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900℃奧氏體化550℃等溫溫度處理后，試驗鋼具有最佳的綜合力學性能，這時試驗鋼有最高的屈服強度和抗拉強度，還有良好的塑性（A）和韌性（KV，0℃）。同時能滿足SY/T 5989-2019標準規定N80級直縫焊套管鋼的力學性能[6]。

結合試驗鋼組織（圖2）來看，等溫溫度為500℃和550℃時組織差別不，貝氏體、鐵素體和珠光體體積分數基本接近，鐵素體平均晶粒尺寸（圖3）也基本相近，所以試驗鋼等溫溫度為500℃和550℃時力學性能也基本相近。但由于等溫溫度為550℃時試驗鋼中析出的第二相粒子數量明顯高于其在500℃溫度等溫處理時析出的第二相粒子數量（如圖5所示），第二相粒子強化明顯，試驗鋼等溫溫度從500℃升高到550℃時，強度則略有上升。當試驗鋼等溫溫度達到600℃時，盡管試驗鋼中析出的第二相粒子數量進一步增加，但由于組織中貝氏體和珠光體體積分數明顯下降，其強度也出現明顯下降，塑性韌性則明顯提高。

3結論

（1）等溫溫度對試驗鋼組織的影響是：當從500℃升高到550℃，等溫溫度對試驗鋼不同的組織體積和晶粒尺寸影響不明顯；但當等溫溫度升高到600℃時，鐵素體晶粒明顯粗化，鐵素體體積分數明顯增加，珠光體和貝氏體體積分數明顯減少。

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

參考文獻：

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[2] 王學敏，鄧敘燕，李玲霞.27CrMo鋼P110石油套管調質工藝研究[J].熱加工工藝. 2017，46（16）：174-178.

[3] 黃明浩，黃國建，孔祥磊，等.回火溫度對N80級ERW石油套管鋼的組織與性能的影響[J].金屬熱處理.2012，（10）： 58-60.

[4] 許天旱，馮耀榮，宋生印，等.兩種套管鉆井用鋼的顯微組織和力學性能[J].機械工程材料.2010，（1）： 72-76.

[5] 李景翠，萬繼方，江山，等.V-Ti復合微合金化N80非調質油套管鋼碳氮化物析出熱力學研究[J].熱加工工藝.2016，（22）： 88-91.

[6] SY/T 5989-2019，直縫電阻焊套管[S].

[7] 劉宗昌.貝氏體與貝氏體相變[M].北京：冶金工業出版社，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；Email：352220626@ qq.com。

通訊作者：龔勛（1983-），男，博士后，研究員，研究方向：產業經濟學，E-mail：gongxun83@aliyun.com

基金項目：中國船舶工業綜合技術經濟研究院《國外材料領域國防實驗室軍民融合發展策略研究》項目

（作者單位：陳曦，渤海船舶職業學院材料工程系；方藝蒙，四川大學匹茲堡學院；曹寶山，遼寧順達機械制造（集團）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業發展中心；萬榮春，渤海船舶重工有限責任公司博士后流動站）