新型高强高韧低温油井管用钢的材料研究

发布时间：2020-10-24 08:18

　　 在低温环境中使用的油井管,不仅要求具有很高的强度,而且需要具有良好的低温冲击韧性。现有低温油井管选材中往往添加较高的Ni含量,成本较高。为了降低成本,提升性能,本文针对自主设计的系列Ni含量的低温油井管用钢进行不同热处理,采用热膨胀仪、光学显微镜、扫描电镜、拉伸试验机等系统分析了热处理工艺对微观组织和力学性能的影响,并进行了热处理工艺的优化。本文主要研究工作和结论如下:(1)通过热力学计算与动力学分析,研究了热力学平衡条件下和连续冷却过程中LS钢中相变和组织演变规律。结果表明:Ni含量对析出相和组织演变均具有一定影响,随着Ni含量的增加,M_7C_3开始析出温度逐渐降低,M_(23)C_6的析出温度区间逐渐增大;同时,随着Ni含量的增加,奥氏体化温度降低,发生马氏体、贝氏体和珠光体转变的临界冷速减小。(2)通过改变淬火和回火温度,研究了热处理工艺对LS钢组织性能的影响。结果表明,在880℃淬火时,LS钢能够得到完全马氏体组织,平均晶粒尺寸较小,回火后具有良好的强韧性匹配;在200℃~750℃回火时,随着温度的升高,LS钢中的回火碳化物析出量不断增大,并且伴随有聚集长大的现象;随着温度的升高,室温强度整体呈现降低趋势,低温冲击功先增大后减小,并且存在600℃以上回火时出现回火脆性现象。根据淬火和回火温度对LS钢组织性能的影响规律,确定其较佳低温油井管用钢为LS2钢,相应的较佳热处理工艺为880℃淬火+600℃回火,经热处理后钢的低温冲击功为36.37 J,屈服强度与抗拉强度分别为726.7 MPa、843 MPa,满足厂家的性能要求。(3)通过分析不同Ni含量下LS钢的微观组织及拉伸冲击性能,研究了Ni元素对LS钢组织性能的影响。结果显示,随着Ni含量的增加,LS钢的原奥氏体晶粒尺寸变化幅度较小,回火碳化物析出量增大。随着Ni含量的增大,LS钢的强度呈上升趋势。-45℃低温冲击功先增大后出现降低趋势。当Ni含量为0.022wt.%时,LS钢的韧脆韧脆转变温度最低,约为-20℃,随着Ni含量的增大,韧脆转变温度不断增大,在Ni含量为1.97wt.%时达到最大值8℃,随着Ni含量进一步增大为2.99wt.%时,韧脆转变温度又降低至-14℃。
【学位单位】：河南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG142;TE931.2
【部分图文】：

图 2-1 实验用 LS 钢的铸锭和锻棒照片Fig.2-1 The ingots and forged bars of the LS steel with different Ni content(a) ingot with riser; (b) ingot without riser; (c) forged long rods利用线切割试验机将热膨胀试样沿径向从中间切开，使用酚醛树脂热 研 磨 抛 光 后 ， 采 用 4% 硝 酸 酒 精 溶 液 浸 蚀 显 示 金 相 组 织 。vert200MAT 光学金相显微镜（OM）和 Quanta600 扫描电镜观察不同显微组织。使用Leco AMH43全自动显微硬度计测量试样的维氏硬度值载荷为 500 ｇ，保压时间为 15 s。热处理工艺的制定实验用 LS 钢的初始状态均为锻态，为了消除残余应力以及锻造缺陷尺寸的稳定性，防止试样的变形和开裂，首先对试块进行 1050 ℃保正火处理。为了研究热处理工艺对 LS 钢组织性能的影响，本文通温度和回火温度进行热处理工艺设计，如表 2-2 所示。具体为：（Ⅰ）在 ℃、880 ℃、920 ℃、960 ℃和 1000 ℃保温 2 h 后以水冷的方式冷

拉伸试样图纸如图2-2 所示，试样的平行段长度为 25 mm，直径为 5 mm。拉伸实验在 AG-100KNG拉伸试验机上进行，实验温度为 25 ℃，每组试验测试三个平行试样，取其平均值。低温冲击试验按照 GB/T229-2007 进行，冲击试样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm，缺口类型为 V 型，如图 2-3 所示。低温冲击性能测试在SANS-ZBC2452-C 冲击试验机上进行

图 2-3 标准冲击试样示意图（单位 mm）Fig.2-3 The schematic diagram of standard impact specimen (unit mm)2.5 微观分析将热处理后的 LS 钢试样依次采用 150#、400#、600#、800#、1200#、2000#砂纸进行打磨，然后采用金刚石抛光膏进行抛光处理，直至表面无划痕，利用和酒精冲洗后吹干。采用体积分数为 4%的硝酸酒精溶液对抛光后的试样进行蚀，显示金相组织。借助 Axiovert200MAT 光学金相显微镜（OM）和 Quanta600描电镜（SEM）观察 LS 钢不同热处理状态下的显微组织。将淬火的试样进行研磨、抛光处理，采用 0.7 g 苦味酸+0.2 g 海鸥牌洗发膏25 mL 水的混合溶液显示奥氏体晶界。首先将苦味酸、海鸥牌洗发膏和水的混溶液煮沸，直至苦味酸和洗发膏完全溶解，再将溶液冷却至室温，呈过饱和状。然后，过饱和的混合溶液放入 70 ℃的水浴锅中，5 min 后将抛好的试样浸溶液，侵蚀 1 min，随后利用水和酒精冲洗后吹干。借助 Quanta600 扫描电镜察晶界，利用 SISC-IAS 图像分析软件通过截线法测定平均晶粒尺寸。
【参考文献】

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本文编号：2854228