熱處理工藝對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.西安向陽航天材料股份有限公司 陜西 西安 710025； 2.中機生產(chǎn)力促進中心有限公司， 北京 100044）

0 引言

陸地油氣資源的逐漸枯竭以及人們對能源需求的提高，世界各國正逐步將目光投向海樣石油的開發(fā)，這將進一步促進海洋石油勘探與生產(chǎn)的迅速發(fā)展， 這對人類社會的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義[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，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 和浮式平臺之間的一個重要連接件，它能夠承受較大的載荷，有效地降低SCR 與浮式平臺運動過程中所產(chǎn)生的應(yīng)力，從而提高SCR 的耐久度，同時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、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于彈性體能否正常工作具有極大的影響。

相對于陸地環(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行時，除了會受到各種負荷的影響外還會遭受油氣介質(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，國內(nèi)外對AISI 8630 也進行了大量的研究，為滿足高強度、高硫化氫腐蝕性能的需求，開展了微合金優(yōu)化設(shè)計及熱處理工藝研究。 結(jié)合目前的發(fā)展需求，本文對AISI 8630 合金鋼鍛件進行了相應(yīng)熱處理工藝試驗，并對其微觀組織和力學(xué)性能進行了分析研究，為進一步拓寬其應(yīng)用提供了技術(shù)支持。

1 試驗材料和方法

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

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

2 熱處理工藝

本次熱處理是在臺式電阻爐上進行的，通過調(diào)質(zhì)Q+T 對鍛件進行熱處理。 熱處理溫度-時間記錄曲線如圖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 后進行淬火。本次的淬火工藝選用JEF 水溶性淬火介質(zhì)對鍛件進行淬火，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，保證工件不會產(chǎn)生開裂現(xiàn)象。回火溫度為500±10℃，保溫時間為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 實際熱處理溫度-時間記錄曲線

在進行熱處理后，需對鍛件進行超聲檢測（見圖2），檢測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方法，它的優(yōu)點是：具有高的檢測靈敏度，可以對微小的裂縫進行檢測，并具有很強的穿透性， 可以對厚截面鑄件進行檢測。 本次實驗采用的檢測設(shè)備為USM 35XS，檢 測 標準為ASTM A388， 通過手動接觸法對增強鋼板進行超聲波檢測，未發(fā)現(xiàn)有可記錄的缺陷，符合標準要求。

圖2 超聲檢測示意圖

3 性能檢測和結(jié)果

（1）拉伸性能。本次室溫拉伸試驗的拉伸溫度為20 ℃，采用的引伸計為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 的抗拉強度， 超過950MPa 的規(guī)定值；屈服強度達到918MPa，其規(guī)定值為835MPa；斷后伸長率為13%。 此外，未發(fā)現(xiàn)機械損傷和裂紋等明顯的宏觀缺陷。

表2 拉伸性能檢測

（2）沖擊試驗。沖擊試驗通常用于測定產(chǎn)品在受到外力沖撞或影響時產(chǎn)品的可靠性、安全性和有效性。本次試驗采用ASTMA370-2020 檢測標準對AISI SAE 8630 樣品進行了低溫沖擊試驗， 試驗前需先將試樣在低溫介質(zhì)中保存一段時間，在溫度達到-25℃后快速取出進行沖擊試驗。本次試樣取自同一工件，在橫向取三個試樣進行測試，樣品尺寸為（55×10×10mm），試驗結(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。 本次試驗采用布氏硬度計進行硬度測試，布氏硬度所采用的檢測標準為GB/T 231.1-2018，硬度檢測結(jié)果如圖3 所示。 測試硬度的試樣為經(jīng)過打磨拋光后的金相試樣，通常每個試樣取5 個硬度值，去掉其中的兩個最值，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。 對熱處理后的AISI SAE 8630 鍛件進行宏觀金相、晶粒度、顯微組織和非金屬夾雜物檢測。 圖4 所示為AISI SAE 8630 樣品的宏觀金相照，從檢測結(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-比較法對晶粒度進行檢測，結(jié)合500×金相照（圖5）計算出其平均晶粒度為6.5 級。 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。本次試驗采用非金屬夾雜物-A 法對8630樣品縱截面進行檢測，檢測結(jié)果如圖7所示，其中A 類（細系）為1.0 級，D 類（細系）為1.0 級，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。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于未變形裂紋表面張開的相對距離， 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)件的安全性評定中獲得了極大的應(yīng)用。

本次試驗對AISI SAE 8630 工件在120°、240°以及360°方位分別進行取樣，對應(yīng)的樣品編號為7-1、7-2、7-3。根據(jù)文件GB/T 21143-2014 進行裂紋尖端張開位移試驗，試驗結(jié)果如表4 所示，其中a0代表初始裂紋長度；Fmax為預(yù)制疲勞裂紋時的最大力；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。 通過試驗結(jié)果可以看出，三個樣品的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。 根據(jù)ISO 7539-2：1989對AISI SAE 8630 樣件進行抗硫化物應(yīng)力開裂試驗-四點彎曲法檢測，本次試驗選取三個試樣，分別為A1、A2、A3，試樣的檢測結(jié)果如表5 所示。從表中可以看出送檢樣品（A1、A2、A3）在25～27℃標準A 溶液中（0.5wt%CH3COOH+5wt%NaCl），加載應(yīng)力為492 MPa（80% AYS）時，經(jīng)720 h試驗后，三個試樣均未發(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 為試驗后試樣的宏觀照片。

圖8 試驗后試樣宏觀照

表5 抗硫化物應(yīng)力開裂試驗

4 結(jié)論

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

金相組織檢測顯示在AISI SAE 8630 樣品中并未發(fā)現(xiàn)機械損傷、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。