調質處理對CT80連續油管用鋼應變疲勞行為的影響

王 鑫，饒添榮，朱 濤，何宜柱

（1.安徽工業大學材料科學與工程學院，馬鞍山243002；2.馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術中心，馬鞍山243000）

0 引 言

連續油管（簡稱CT）是相對于用螺紋連接的常規油管而言的，又稱撓性油管、盤管或柔管，是卷繞在卷筒上拉直后直接下井的長油管［1－3］。在卷繞彎曲、拉伸和內壓共同作用下產生的疲勞破壞是造成連續油管失效的主要原因之一，這種疲勞破壞的典型形式是低循環高應變疲勞失效，往往是突然發生，沒有明顯的征兆。因此，研究連續油管用鋼的疲勞性能對其安全使用具有著十分重要的意義。

通常情況下連續油管是采用直縫電阻焊對高強度低合金熱軋板進行焊接而制成的，而且焊后必須經過調質處理方可投入使用［4］。目前國內外對管線鋼疲勞性能的研究大多集中在熱軋態的顯微組織、疲勞裂紋擴展速率與疲勞壽命的關系［5－9］方面，而對管線鋼調質處理后疲勞性能的研究還不充分。為此，作者對熱軋態CT80連續油管用鋼進行了不同的調質熱處理，通過軸向應變疲勞試驗對其疲勞性能以及疲勞斷口形貌進行了分析研究，為建立以疲勞分析為基礎的連續油管可靠性評估做了探索性工作。

1 試樣制備與試驗方法

試驗鋼為馬鋼產CT80連續油管用鋼熱軋板，厚度為5.3mm，其主要化學成分為（質量分數／%）0.10C，0.35Si，0.95Mn，0.011P，0.002S，0.004N，≤1.00（Cr＋Cu＋Ni），≤0.30（Mo＋Nb＋Ti），余Fe。

將熱軋態試驗鋼分別進行950℃×25min（水冷）＋550℃×40min以及950℃×25min（水冷）＋650℃×40min的調制處理，處理后的試樣分別記為CT80－550和CT80－650；原始熱軋態鋼試樣記為CT80。

疲勞試樣參照美國ASTM E606－2004標準以及GB 15248－2008《金屬材料軸向等幅低循環疲勞試驗方法》進行制備，長度方向為軋制方向，采用矩形截面板狀，試樣的幾何尺寸如圖1所示。

圖1 板狀疲勞試樣的尺寸Fig.1 Size of flat－sheet fatigue sample

疲勞試驗在MTS810型電液伺服材料試驗機上進行，采用軸向應變控制方式，應變比Rε＝－1，應變速率為8×10－3s－1，加載波形為三角波。三種試樣在四級應變幅0.4%，0.6%，0.85%和1.0%下進行疲勞試驗，試驗環境為大氣，溫度為室溫（24℃）。將最大拉伸載荷下降50%時對應的循環數定義為試樣的疲勞壽命。

采用Quanta 450型掃描電鏡（SEM）分析疲勞斷口形貌，并用其附帶的能譜儀（EDS）分析夾雜物的成分。采用ZEISS Axiovert 40MAT型光學顯微鏡觀察熱軋態、調質態試驗鋼的顯微組織。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織與力學性能

由圖2和圖3可見，CT80試樣的顯微組織主要由粒狀貝氏體、針狀鐵素體、少量珠光體組成；CT80－550試樣幾乎全是保持馬氏體位向的回火索氏體，同時仍有部分貝氏體；CT80－650試樣中的馬氏體已完全轉變為等軸晶，形成由細粒狀滲碳體和等軸狀鐵素體構成的復相組織——典型的回火索氏體及少量貝氏體。

由表1可見，不同試樣的力學性能均滿足美國石油學會標準API RP－5C7（油氣井用撓性油管操作推薦作法）中對CT80連續油管用鋼拉伸性能的要求。

表1 不同試樣在室溫下的拉伸性能Tab.1 Tensile properties of samples at room temperature

2.2 循環應力響應曲線

應變控制下的應力幅值隨著循環周次的變化反映了材料的循環硬化或軟化程度［10］。由圖4可以看出，所有試樣均表現為應變幅越大，半壽命應力幅越大，應變疲勞壽命越低。在應變幅為0.4%時，CT80在0～30周次內為循環飽和階段，之后開始緩慢的循環軟化過程，約在11 000周次時快速軟化；在應變幅為0.6%，0.85%，1.0%時，CT80試樣從一開始就表現出循環軟化的特性，在0～100周次的循環過程中上述三個應變幅下的軟化速率基本相當，且應變幅越大，材料越早發生快速軟化、破壞。對于CT80－550試樣，當應變幅為0.4%時，在快速軟化之前一直表現為循環穩定；當應變幅為0.6%時，經過最初幾周次的硬化后轉為循環穩定，之后開始緩慢的軟化過程，直至快速軟化失效；當應變幅為0.85%和1.0%時，軟化速率明顯高于低應變幅，經過幾十周次的循環后應力幅開始加速下降。在應變幅為0.4%時，CT80－650試樣在快速軟化前表現為循環穩定；在應變幅為0.6%時的循環變形初期為循環穩定階段，且有輕微的循環硬化，在循環100周次之后發生循環軟化；在0.85%和1.0%的應變幅下，前10周次循環時為循環穩定，之后開始軟化，軟化速度隨循環周次的增加而增加，直至發生快速軟化、斷裂。

圖4 各試樣在不同應變幅下的應力幅－循環周次曲線Fig.4 Curves of stress amplitude vs cyclic number of samples at different strain amplitudes

通過以上分析可知，熱軋態CT80試樣在各應變幅下基本都表現為持續軟化。而對于CT80－550試樣和CT80－650試樣來說，當應變幅為0.85%～1.0%時，在循環初期表現為循環穩定；當應變幅為0.4%～0.6%時，循環飽和階段延長，循環過程中甚至出現硬化現象；循環軟化階段的斜率反映了循環軟化的速率，當應變幅為0.85%～1.0%時，CT80－650試樣的軟化速率最慢，CT80試樣次之，CT80－550試樣的最快。

2.3 循環應力－應變曲線

材料的循環硬化或者軟化也可以通過循環應力－應變曲線與對應的單調拉伸曲線來判斷。由圖5可見，所有試樣均表現為循環軟化；在各應變幅下，循環應力幅值始終低于拉伸試驗測定的靜態應力；且循環應力幅值幾乎總是隨著應變幅的增加而增加。

圖5 各試樣的循環應力－應變曲線及單調拉伸曲線Fig.5 Cyclic stress－strain curves and monotonic tensile curves of samples

CT80－550、CT80－650試樣的組織和力學性能與CT80試樣的有很大不同，但就其循環特性而言，仍然表現為循環軟化。文獻［11］指出，循環應變對材料性能的影響與其Rm／ReL有關。當Rm／ReL＜1.2，材料表現為循環軟化；當Rm／ReL在1.2～1.4之間時，材料一般比較穩定，沒有明顯的循環硬化和軟化現象；當Rm／ReL＞1.4時，材料表現為循環硬化。CT80、CT80－550和 CT80－650試樣的 Rm／ReL分別為1.10，1.13和1.16，按照上述理論應該為循環軟化，這與試驗結果一致。

材料的循環應力－應變特性可用冪指數規律表示，即循環應力－應變曲線的Holomon關系式：

式中：K′為循環強度系數；n′為循環應變硬化指數；Δσ為應力范圍；Δεp為塑性應變范圍。

根據疲勞試驗結果，對式（1）進行擬合，得到上述循環應力－應變特征參數，見表2。由表2可見，調質處理使試驗鋼的塑性下降，循環強度系數上升。

2.4 應變疲勞壽命

表2 不同試樣的循環應力－應變特征和應變疲勞壽命參數Tab.2 Cycling stress－strain characteristics and strain－fatigue life parameters of different samples

式中：Δεt為總應變范圍；Nf為疲勞壽命；σ′f為疲勞強度系數；b為疲勞強度指數；ε′f為疲勞延性系數；c為疲勞延性指數；E為彈性模量。

一般情況下，疲勞延性指數的絕對值越大，在相同的塑性應變下，材料的疲勞壽命越低。在雙對數坐標下對試驗數據進行擬合，所得的應變疲勞壽命參數列于表2，三種試樣的 Δεe／2－2 Nf、Δεp／2－2 Nf和Δεt／2－2 Nf曲線見圖6。

圖6 不同試樣的Δε／2－2Nf曲線Fig.6 Curves ofΔε／2－2Nffor tested steels

CT80、CT80－550和 CT80－650試樣的應變－疲勞壽命關系式分別為式（3），（4）和（5）：

彈性應變幅與塑性應變幅的交點被稱為疲勞過渡壽命（2 Nf）T，它是衡量材料應變疲勞性能的關鍵指標之一。CT80、CT80－550和CT80－650試樣的疲勞過渡壽命分別為3 671，3 888和2 481周次。在疲勞過渡壽命右側的低應變長壽命區，彈性應變幅的作用大于塑性應變幅的，此時的疲勞壽命主要取決于疲勞裂紋的萌生。而在疲勞過渡壽命左側的高應變短壽命區，以塑性應變幅的作用為主，此時疲勞壽命主要取決于疲勞裂紋的擴展行為。因此對試驗鋼來說，塑性越好，高應變疲勞壽命越高；強度越高，低應變疲勞壽命越高。

由圖7可見，CT80－550試樣的應變疲勞壽命整體高于CT80試樣的，在應變幅為0.4%時提高了40%，在應變幅為0.6%時提高了22%，在應變幅為0.85%時降低了14%，在應變幅為1.0%時提高了39%。CT80－650試樣的疲勞性能相對最優，與CT80試樣相比，當應變幅為0.4%，0.6%和0.85%時應變疲勞壽命分別提高了110%，64%和25%，但在應變幅為1%時則降低了11%。

圖7 不同試樣在不同應變幅下的疲勞壽命Fig.7 Fatigue life of samples at different strain amplitudes

2.5 疲勞裂紋的萌生與擴展

由圖8可見，所有試樣的疲勞裂紋都萌生于試樣表面，裂紋源沿斷口周邊分布，呈多源性特征；在表面附近沒有發現夾雜物，因此疲勞裂紋可能源于表面的加工劃痕或者駐留滑移帶所引起的裂紋形核。CT80試樣斷口表面由下往上的疲勞輝紋十分清晰，同時還發現了由左側疲勞源擴展而來的疲勞輝紋；CT80－550與CT80－650試樣上也能看到少量輝紋，但由于反復的拉壓作用導致大量輝紋消失。

三種試樣中夾雜物基本相同，故以任一試樣為例進行分析。由圖9可見，在試驗鋼的疲勞裂紋擴展區均觀察到了夾雜物，但它們都不是裂紋源；能譜分析表明，其成分主要含有鈣、鋁、硅和氧等元素，是一種復合氧化物夾雜。

2.6 討 論

調質處理通過改變材料的顯微組織來影響其疲勞裂紋的擴展行為。高溫回火后，組織中析出碳氮化物，由于析出物尺寸較小，不易對裂紋擴展產生直接影響，但其仍能阻礙和釘扎位錯運動，從而延緩裂紋的擴展速率。另外，由于調質處理后，試驗鋼的屈強比降低，導致缺口敏感性減弱，從而提高疲勞性能。

圖8 不同試樣疲勞裂紋源區和擴展區的SEM形貌（應變幅0.6%）Fig.8 SEM morphology of fatigue crack initiation zone（a－c）and propagation zone（d－f）for CT80，CT80－550and CT80－650when strain amplitude was 0.6%

隨著回火溫度的升高，貝氏體組織顯著減少，這時貝氏體的第二相強化作用減弱甚至消失，致使位錯運動的阻力減小、強度顯著降低，而材料的塑性、韌性得以提高；回火溫度升高促進了回火索氏體的均勻化，降低了裂紋早期萌生的幾率，改善了裂紋擴展阻力的不均勻性，進而避免因局部抗力減小而加速裂紋擴展失穩，這有利于提高疲勞性能。綜上可知，回火溫度為650℃的調質處理工藝能夠有效提高連續油管用鋼的疲勞性能。

圖9 試樣疲勞裂紋擴展區中的典型夾雜物形貌及EDS譜Fig.9 Typical inclusion morphology at propagation zone（a）of sample steel and EDS spectrum of the inclusion（b）

3 結 論

（1）熱軋態和調質態CT80連續油管用鋼在循環載荷作用下均表現為循環軟化。

（2）淬火溫度950℃、回火溫度650℃的調質處理能夠有效提高連續油管用鋼的疲勞性能。

（3）疲勞裂紋均起源于試樣表面，且表現為多源性特征。

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