复相化对钻杆材料组织和性能的影响

西安石油大学 材料科学与工程学院 左冬声

复相化对钻杆材料组织和性能的影响

西安石油大学 材料科学与工程学院 左冬声

金属材料是最主要的结构材料，各个国家一直把高性能金属材料的研究作为材料研究的重要内容之一。金属材料存在的主要问题是强度有余而韧性不足，或者韧性有余而强度不足。围绕金属的强韧化，国内外学者开展了大量的研究工作，提出了许多强韧化途径，如通过合金化、沉淀析出、晶粒细化、形变强化等多方面的综合作用来实现，但其效果还不能满足需要，而且成本高、生产工艺复杂。随着科技的发展，特别是先进材料测试仪器的出现，人们对金属材料的微观组织、强韧化方式又有了新的认识。按照新的强韧化思路进行组织设计，可通过控制成分和工艺获得复相组织来实现强韧化。20世纪70年代，人们通过微合金化获得马氏体–铁素体双相钢，简称双相钢。这种钢屈服强度低、抗拉强度高，并且具有连续屈服行为，在塑性变形初期具有较高的加工硬化率，因此被广泛应用于汽车构件制造、输油管道制造、压力容器制造等领域。

钻杆是石油、天然气开采和地质勘探中的重要结构件，也是石油钻柱的主要构件。钻杆在钻进过程中不仅承受着由交变载荷引起的应力突变，还承受着钻杆涡动和振动引起的瞬时巨大冲击载荷，再加上工作条件比较恶劣，常常发生低应力脆断、疲劳或腐蚀疲劳等问题，这些失效形式都是由材料韧性偏低造成的，因此，钻杆材料的强韧性匹配就显得尤为重要。

本文，笔者采用亚温淬火的热处理工艺，对S135钻杆材料进行复相化处理，研究了复相组织中马氏体含量对钻杆材料拉伸和冲击性能的影响, 并初步探讨了其断裂机理。

一、试验材料与方法

试验材料选用优质S135钻杆，其化学成分（质量分数）为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。微观组织为调质处理后回火索氏体组织，该钻杆在调质状态下纵向冲击韧性为80J（7.5 mm×10 mm×10 mm试样）。

将试样分别在760 ℃，780 ℃，800 ℃的质量分数为35%的NaCl+质量分数为65%的BaCl2浴中保温12 min，水淬。获得复相组织，然后250 ℃回火处理1 h。采用4 %硝酸酒精溶液化学侵蚀，使用Axiovert 405M金相显微镜（OM）及MicroimageAnalysis&process软件对显微组织进行观察和定量分析。

热处理后的材料按照GB228-87加工成截面5 mm试样，试样的标距尺寸为25 mm。利用在WDS-100型电子式万能试验机进行拉伸试验，每组取3个试样，求平均值。冲击试验采用夏比V型缺口试样，试样尺寸为7.5 mm×10 mm×55 mm。冲击试验在JBC-300型示波冲击实验机上进行，每组取3个试样，求平均值。

二、结果与讨论

1. 复相化处理对S135钻杆显微组织的影响。图1为不同温度复相化处理后显微组织形貌。图1（a），1（b），1（c）和1（d）分别为原始材料、760 ℃、780 ℃和800 ℃复相化处理后材料的显微组织，侵蚀剂为4%的硝酸酒精溶液。

图1 不同温度复相化处理后的显微组织形貌

由图1可见，原始材料的显微组织为回火索氏体组织，如图1（a）所示。经760 ℃、780 ℃和800 ℃复相化处理后得到F+M组织，其中铁素体呈白亮色，马氏体呈灰色。由图1（b）可见，当复相化处理温度为760 ℃时，显微组织为F+M组织，其中马氏体呈板条状分布于多边形的铁素体基体上。定量分析表明，马氏体的含量为27.2%，铁素体的含量为62.8%。由图1（c）和1（d）可见，随着复相化处理温度的升高，马氏体含量增加，铁素体含量减少，马氏体逐渐连成一片，以岛状或片状分布于铁素体基体上。定量分析结果表明，复相化温度为780 ℃时马氏体含量为43.1%，铁素体含量为56.9%；复相化温度为800 ℃时，马氏体含量为61.5%，铁素体含量为38.5%。

2. 复相化处理对S135钻杆力学性能的影响。图2为S135钻杆材料经不同温度复相化处理后的应力（σ）–应变（ε）曲线。复相化处理后不同温度下材料的力学性能影响见表2。

图2 钻杆材料在不同复相化温度下的应力-应变曲线

表2 复相化处理对力学性能的影响

由图2可见，试验材料的应力–应变曲线全为连续屈服；随着复相化温度的升高，材料的强度水平不断提高；复相化温度较低时，应力–应变曲线的最大应力附近出现了一个较长的屈服平台。随着复相化温度的升高，强度和硬度显著提高的同时，断面收缩率、伸长率和冲击韧性却在降低，塑性和韧性性能变差。复相化温度为760 ℃时，塑性和韧性指标降低很小，与原始材料差距不大，基本达到了强韧性的良好匹配。复相化温度为780 ℃、800 ℃时，虽然强度很高，但塑性和韧性下降严重，性能较差。

三、结论

1. S135钻杆钢在3种不同温度下淬火后，得到了马氏体与铁素体的复相组织。其中760 ℃淬火后，马氏体含量为27.2%；780℃淬火后，马氏体体含量为43.1%；800 ℃淬火后，马氏体含量为61.5%。

2.760 ℃淬火后的马氏体与铁素体的复相组织，达到了强韧性的良好匹配；而780 ℃和800 ℃淬火后的复相组织，韧性和塑性较差。

3. 760 ℃的亚温淬火处理是S135钻杆钢强韧化的有效途径。