復相化對鉆桿材料組織和性能的影響

西安石油大學 材料科學與工程學院 左冬聲

復相化對鉆桿材料組織和性能的影響

西安石油大學 材料科學與工程學院 左冬聲

金屬材料是最主要的結構材料，各個國家一直把高性能金屬材料的研究作為材料研究的重要內容之一。金屬材料存在的主要問題是強度有余而韌性不足，或者韌性有余而強度不足。圍繞金屬的強韌化，國內外學者開展了大量的研究工作，提出了許多強韌化途徑，如通過合金化、沉淀析出、晶粒細化、形變強化等多方面的綜合作用來實現，但其效果還不能滿足需要，而且成本高、生產工藝復雜。隨著科技的發展，特別是先進材料測試儀器的出現，人們對金屬材料的微觀組織、強韌化方式又有了新的認識。按照新的強韌化思路進行組織設計，可通過控制成分和工藝獲得復相組織來實現強韌化。20世紀70年代，人們通過微合金化獲得馬氏體–鐵素體雙相鋼，簡稱雙相鋼。這種鋼屈服強度低、抗拉強度高，并且具有連續屈服行為，在塑性變形初期具有較高的加工硬化率，因此被廣泛應用于汽車構件制造、輸油管道制造、壓力容器制造等領域。

鉆桿是石油、天然氣開采和地質勘探中的重要結構件，也是石油鉆柱的主要構件。鉆桿在鉆進過程中不僅承受著由交變載荷引起的應力突變，還承受著鉆桿渦動和振動引起的瞬時巨大沖擊載荷，再加上工作條件比較惡劣，常常發生低應力脆斷、疲勞或腐蝕疲勞等問題，這些失效形式都是由材料韌性偏低造成的，因此，鉆桿材料的強韌性匹配就顯得尤為重要。

本文，筆者采用亞溫淬火的熱處理工藝，對S135鉆桿材料進行復相化處理，研究了復相組織中馬氏體含量對鉆桿材料拉伸和沖擊性能的影響, 并初步探討了其斷裂機理。

一、試驗材料與方法

試驗材料選用優質S135鉆桿，其化學成分（質量分數）為C（0.32%） ，Si（0.24%），Mn（0.85%），P（0.007%），S（0.004%），Cr（1.02%），Ti（0.06%），Cu（0.06%），Fe余量。微觀組織為調質處理后回火索氏體組織，該鉆桿在調質狀態下縱向沖擊韌性為80J（7.5 mm×10 mm×10 mm試樣）。

將試樣分別在760 ℃，780 ℃，800 ℃的質量分數為35%的NaCl+質量分數為65%的BaCl2浴中保溫12 min，水淬。獲得復相組織，然后250 ℃回火處理1 h。采用4 %硝酸酒精溶液化學侵蝕，使用Axiovert 405M金相顯微鏡（OM）及MicroimageAnalysis&process軟件對顯微組織進行觀察和定量分析。

熱處理后的材料按照GB228-87加工成截面5 mm試樣，試樣的標距尺寸為25 mm。利用在WDS-100型電子式萬能試驗機進行拉伸試驗，每組取3個試樣，求平均值。沖擊試驗采用夏比V型缺口試樣，試樣尺寸為7.5 mm×10 mm×55 mm。沖擊試驗在JBC-300型示波沖擊實驗機上進行，每組取3個試樣，求平均值。

二、結果與討論

1. 復相化處理對S135鉆桿顯微組織的影響。圖1為不同溫度復相化處理后顯微組織形貌。圖1（a），1（b），1（c）和1（d）分別為原始材料、760 ℃、780 ℃和800 ℃復相化處理后材料的顯微組織，侵蝕劑為4%的硝酸酒精溶液。

圖1 不同溫度復相化處理后的顯微組織形貌

由圖1可見，原始材料的顯微組織為回火索氏體組織，如圖1（a）所示。經760 ℃、780 ℃和800 ℃復相化處理后得到F+M組織，其中鐵素體呈白亮色，馬氏體呈灰色。由圖1（b）可見，當復相化處理溫度為760 ℃時，顯微組織為F+M組織，其中馬氏體呈板條狀分布于多邊形的鐵素體基體上。定量分析表明，馬氏體的含量為27.2%，鐵素體的含量為62.8%。由圖1（c）和1（d）可見，隨著復相化處理溫度的升高，馬氏體含量增加，鐵素體含量減少，馬氏體逐漸連成一片，以島狀或片狀分布于鐵素體基體上。定量分析結果表明，復相化溫度為780 ℃時馬氏體含量為43.1%，鐵素體含量為56.9%；復相化溫度為800 ℃時，馬氏體含量為61.5%，鐵素體含量為38.5%。

2. 復相化處理對S135鉆桿力學性能的影響。圖2為S135鉆桿材料經不同溫度復相化處理后的應力（σ）–應變（ε）曲線。復相化處理后不同溫度下材料的力學性能影響見表2。

圖2 鉆桿材料在不同復相化溫度下的應力-應變曲線

表2 復相化處理對力學性能的影響

由圖2可見，試驗材料的應力–應變曲線全為連續屈服；隨著復相化溫度的升高，材料的強度水平不斷提高；復相化溫度較低時，應力–應變曲線的最大應力附近出現了一個較長的屈服平臺。隨著復相化溫度的升高，強度和硬度顯著提高的同時，斷面收縮率、伸長率和沖擊韌性卻在降低，塑性和韌性性能變差。復相化溫度為760 ℃時，塑性和韌性指標降低很小，與原始材料差距不大，基本達到了強韌性的良好匹配。復相化溫度為780 ℃、800 ℃時，雖然強度很高，但塑性和韌性下降嚴重，性能較差。

三、結論

1. S135鉆桿鋼在3種不同溫度下淬火后，得到了馬氏體與鐵素體的復相組織。其中760 ℃淬火后，馬氏體含量為27.2%；780℃淬火后，馬氏體體含量為43.1%；800 ℃淬火后，馬氏體含量為61.5%。

2.760 ℃淬火后的馬氏體與鐵素體的復相組織，達到了強韌性的良好匹配；而780 ℃和800 ℃淬火后的復相組織，韌性和塑性較差。

3. 760 ℃的亞溫淬火處理是S135鉆桿鋼強韌化的有效途徑。