部分铁基热力学数据库的建立及在S135钻杆中的应用

发布时间：2020-06-23 14:49

【摘要】：随着科技的发展,对石油、天然气的消耗量迅速增大,深井、超深井的数量快速增多,对钻杆的性能指标提出了更高的要求。研究者一直试图获得强韧性配合更好的高质量钻杆钢,但以往新材料的研究与开发通常采用“尝试法”,需要材料开发人员经过反复、大量的实验和经验来摸索,确定材料的成分和工艺参数等。本论文采用相图的热力学计算方法(CALPHAD),建立了部分铁基热力学数据库。选择碳含量为0.31 wt.%的S135钻杆钢作为实验材料,结合计算相图设计热处理工艺,研究钻杆复相组织的微观组织与力学性能,以获得强韧性匹配良好的钻杆材料。通过收集低元系热力学参数以及对计算相图和热力学性质的检验,建立了部分铁基热力学数据库(Fe-Al-C-Cr-Cu-Mn-Mo-N-Nb-Ni-Si-Ti-V),并完成了 Nd-Sn 和 Sn-Tb 两个二元体系的计算,以补充所建立的数据库。根据数据库计算了 S135钻杆钢成分的纵截面相图,从相图中得到A1和A3的计算值分别为800 ℃和890 ℃。利用合金法对计算相图的A1和A3温度进行了实验验证,经过对组织的观察分析,确定A1和A3的实验值分别为730 ℃和825 ℃。利用文献报道的实验数据,从热处理工艺设计和第二相碳氮化合物粒子析出分析两方面来验证了数据库的合理性。结合计算相图,研究了 S135钻杆钢的铁素体与马氏体复相组织。根据杠杆定律,计算试样中不同相所占体积比,将试样亚温淬火温度定位770℃,为了检验770℃淬火得到的力学性能是否为最佳,最终将热处理工艺拟定为880 ℃保温3 h退火+750-790 ℃淬火+250 ℃保温1h回火。实验结果表明:随着淬火温度的升高,马氏体的浮凸现象越来越明显,并且马氏体区域逐渐增大,铁素体区域逐渐减小。S135钻杆钢硬度逐渐增大,强度升高,塑性先升后降并在770 ℃时获得最大值。对亚温淬火后的S135钻杆钢进行250℃的回火处理后,复相组织的强度有所下降,但塑性得到很大提高。根据相图拟定的热处理工艺:880 ℃保温3 h退火+ 770 ℃淬火+ 250 ℃保温1 h回火,能得到最佳的强塑性匹配。结合计算相图,研究了 S135钻杆钢的贝氏体与马氏体复相组织。在280-310℃温度范围内等温淬火,获得了下贝氏体+马氏体的复相组织。经500℃回火后,随着等温温度的升高,硬度降低但仍高于原始值,冲击韧性和强度大幅提高。在280-310 ℃范围内等温淬火时,310 ℃等温淬火能获得最佳性能,实现下贝氏体+马氏体复相组织高强度、高韧性的良好匹配。研究结果表明,在保证硬度需求和不出现上贝氏体的前提下,较高温转变后得到的贝氏体更利于提高复相组织的韧性。基于本文研究结果,本研究建立的部分铁基热力学数据库在热处理工艺设计研究中体现出了一定的指导作用,但还需进一步完善,才能更加准确的指导热处理工艺设计、确定材料的成分和工艺参数等。
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG142.1;TG161;TE921.2
【图文】：

相图,热力学参数,相图,组元

的相图再现过程。其实质是根据已知的热力学与相平衡数据，通过相图计算软件获得低逡逑组元系统中各相吉布斯能的热力学参数，然后通过外推方法，从低组元系统外推获得多逡逑组元系统的热力学参数，图１－１为ＣＡＰＬＨＡＤ计算的图解。这些热力学参数在很多情况逡逑１逡逑

示意图,亚温淬火,加热温度,临界区

同时良好的成形性和可焊性也保留了下来。临界区热处理获得铁素体＋马氏体逡逑双相钢的方法有三种，即临界区再加热淬火、临界区加热淬火和临界区分级淬火［１（）］，如逡逑图１－２所示，其中临界区热处理又叫亚温淬火。与传统的淬火工艺不同，亚温淬火加热逡逑温度范围为比传统的淬火温度低５０－Ｉ００0Ｃ，亚温淬火的加热温度范围图如图逡逑１－３所示。逡逑Ａｃ３Ｌｙ－｜￣Ｌ逦—逦逡逑？＋ｙ逦逦邋逦逡逑Ａ邋ｍ邋ｍｔ邋ｍｉ邋ｍｍ邋■逦ｍ逦？？ｉ逦■邋ｗ？逦Ｗ邋ａ？邋■■逡逑。邋＼逡逑（ａ）逦（ｂ）逦（ｃ）逦１逡逑（ａ）临界区再加热淬火（ｂ）临界区加热淬火（ｃ）临界区分级淬火逡逑图１－２获得马氏体＋铁素体双相钢的热处理工艺曲线图逡逑５逡逑

【参考文献】