對以鐵素體+珠光體組織為主的鋼材進行910℃淬火+不同溫度回火(500，550，600℃)熱處理，獲得超高強度級套管鉆井鋼，并在不同溫度(-60~20℃)下進行沖擊試驗，研究了回火和沖擊試驗溫度對套管鉆井鋼沖擊韌性和斷裂機理的影響。結(jié)果表明：隨著回火溫度的升高，套管鉆井鋼的馬氏體逐漸消失，形成回火索氏體組織，室溫沖擊時消耗的沖擊能增大，最大沖擊載荷減小；不同溫度回火鋼的沖擊斷口宏觀形貌均為纖維區(qū)和剪切唇，斷裂機理均為韌性斷裂；550℃回火套管鉆井鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-33.64℃，隨著沖擊試驗溫度的降低，其沖擊能逐漸減小，宏觀斷口形貌由完全纖維區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榻耆派鋮^(qū)，微觀斷口形貌由完全韌窩形貌轉(zhuǎn)變?yōu)榘植宽g窩結(jié)構(gòu)的準解理結(jié)構(gòu)。
1 、試樣制備與試驗方法
試驗鋼的初始組織以鐵素體和珠光體為主，其化學成分滿足 API Specification 5CT-2005對套管鉆井鋼的要求。使用電阻爐對試驗鋼進行熱處理，將試驗鋼在910℃下保溫60min奧氏體化，水淬到室溫，再進行回火處理,回火溫度分別為500，550，600℃，保溫時間為60min，空冷至室溫。
在回火后的試驗鋼上取樣，經(jīng)鑲樣，磨拋，用體積分數(shù)4%的硝酸酒精溶液浸蝕后，使用光學顯微鏡觀察顯微組織。在試驗鋼上加工出如圖1所示的沖擊試樣，按照GB/T 229-2020，使用沖擊試驗機進行室溫(20℃)沖擊試驗。
使用高低溫試驗箱將取自550℃回火試驗鋼的沖擊試樣分別冷卻至0，-20，-40，-60℃，保溫20min后，立即使用沖擊試驗機進行低溫沖擊試驗，試驗機系統(tǒng)自動記錄沖擊過程中試樣的載荷和位移數(shù)據(jù),得到載荷-位移曲線。當材料出現(xiàn)明顯的解理斷口，即進入韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)時，對應(yīng)的位移-載荷曲線通常會出現(xiàn)載荷瞬間急劇下降的現(xiàn)象，即試樣裂紋擴展過程中消耗的能量急劇下降。使用單通體視顯微鏡和掃描電鏡(SEM)觀察沖擊斷口形貌。
2、 試驗結(jié)果與討論
2.1 回火溫度對顯微組織的影響
由圖2可見，隨著回火溫度的升高，試驗鋼中的板條馬氏體組織逐漸消失，整塊鐵素體基體呈增大趨勢，強化相顆粒呈減少趨勢，形成回火索氏體組織。當回火溫度為600℃時，試驗鋼的組織基本上全部為回火索氏體，幾乎不存在板條馬氏體。
2.2 回火溫度對室溫沖擊性能的影響
由圖3和表1可以看出，隨著回火溫度升高，試驗鋼室溫下能承受的最大載荷減小，但消耗的沖擊能增大。
表1 不同溫度回火試驗鋼室溫沖擊時的最大載荷和沖擊能
由圖4可見，當回火溫度為500，550，600℃時，試驗鋼在室溫下沖擊斷口的宏觀形貌相似，均由剪切唇和纖維區(qū)組成，剪切斷面率均為100%，為完全韌性斷裂。
相比500℃回火試驗鋼，550℃回火試驗鋼在室溫沖擊下能夠承受的最大載荷僅略微下降，但沖擊能增加了20%以上，而600℃回火試驗鋼的沖擊能雖然最大，但其最大載荷顯著下降。綜合考慮最大載荷與沖擊能，550℃回火試驗鋼具有相對更好的綜合力學性能。因此，選擇該回火試驗鋼進一步用于低溫沖擊性能的研究。
2.3 沖擊試驗溫度對沖擊性能的影響
由圖5可見：550℃回火試驗鋼在0℃和20℃下沖擊時的載荷-位移曲線幾乎重合，并且載荷在達到最大值后，隨著位移的增加緩慢降低。當沖擊試驗溫度降低到-20 ℃、位移小于2.4mm時，載荷-位移曲線與沖擊試驗溫度為0，20℃下幾乎重合，而在位移約為2.4mm處載荷由 14.02kN突降到11.32kN(A-B段)，這表明試樣的承載能力突降，裂紋迅速擴展，試驗鋼已進入韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)；該過程消耗的能量很少，可以忽略不計。當沖擊試驗溫度降低至-40℃時，試驗鋼的載荷在達到最大值立刻急劇下降，在很短的位移內(nèi)下降了80%以上，這表明裂紋迅速擴展，且擴展距離很大，該過程只消耗了很少的能量。當沖擊試驗溫度降低至-60℃時，載荷在達到最大值后下降得更加迅速，在裂紋擴展過程中幾乎沒有能量消耗。值得注意的是，-60℃時載荷驟降對應(yīng)的裂紋擴展尺寸相當大，這意味著工程應(yīng)用構(gòu)件在失效過程中幾乎不會發(fā)生變形，而是瞬間斷裂，容易造成災(zāi)難性事故。
通過以上分析可知，沖擊裂紋擴展部分的載荷-位移曲線的總體斜率與沖擊試驗溫度具有一定的相關(guān)性。沖擊裂紋擴展部分載荷-位移曲線的總體斜率計算公式如下：
由圖6可見：試驗鋼沖擊裂紋擴展部分載荷-位移曲線的總體斜率的絕對值隨沖擊試驗溫度的升高先快速降低，然后降低速度減緩，最后趨于穩(wěn)定。當總體斜率絕對值較小且相對穩(wěn)定時，試驗鋼表現(xiàn)為韌性斷裂；當總體斜率絕對值較大時，試驗鋼表現(xiàn)為脆性斷裂。B165鋼及球墨鑄鐵也呈現(xiàn)出了相似的規(guī)律。
使用Boltzmann函數(shù)對沖擊試驗溫度和試樣所消耗的沖擊能進行回歸分析，公式如下：
擬合得到的曲線見圖7，擬合相關(guān)系數(shù)為0.9994。由圖7可見，試樣所消耗的沖擊能隨沖擊試驗溫度的變化可分為3個區(qū)域，包括上平臺區(qū)(區(qū)域III)、韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)(區(qū)域II)和下平臺區(qū)(區(qū)域I)。通常在上平臺區(qū)，沖擊能較高且相對比較穩(wěn)定，斷口為完全或近完全韌性斷口；在下平臺區(qū)，沖擊能較低且相對比較穩(wěn)定，斷口為完全或近完全脆性斷口；在韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)，沖擊能隨溫度發(fā)生顯著變化，斷口為混合斷口。在0~20℃范圍，試樣所消耗的沖擊能均在60J左右，這意味著溫度不低于0℃時試驗鋼的沖擊性能對溫度變化不敏感；當試驗溫度在-40~-20℃時，隨著試驗溫度的降低，試樣所消耗的沖擊能迅速減小，特別是在韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)，沖擊能下降速率達到最大值；當試驗溫度由-40℃繼續(xù)降低至-60℃時，試樣所消耗的沖擊能下降速率減小，結(jié)合Boltzmann擬合曲線可知-60℃已經(jīng)處于下平臺區(qū)，此時試樣依舊具有較高的沖擊韌性，所消耗的沖擊能約為30J。
使用Boltzmann函數(shù)對圖7的沖擊能數(shù)據(jù)點進行回歸分析，可知550℃回火試驗鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-33.64℃。在該溫度點附近，材料斷裂所消耗的沖擊能是極度不穩(wěn)定的，溫度稍有降低，都會導(dǎo)致材料的沖擊韌性急劇下降。
由圖8可見：當沖擊試驗溫度為0℃時，試驗鋼宏觀斷口由纖維區(qū)和剪切唇區(qū)構(gòu)成，沒有放射區(qū)，剪切斷面率達到100%。纖維區(qū)是由于塑性變形過程中微裂紋不斷擴展所形成的，具有明顯的呈扇形分布的帶狀結(jié)構(gòu)；剪切唇區(qū)的形成相對滯后，是沖擊裂紋尖端中部孔洞沿裂紋擴展方向優(yōu)先擴展，邊擴展邊發(fā)生塑性變形，擴展到一定程度后兩側(cè)的韌帶(裂紋擴展過程中未斷裂，依舊連接的部分)同時斷裂而形成的。纖維區(qū)微觀形貌呈現(xiàn)為韌性斷裂特征，由較淺且不均勻的韌窩構(gòu)成。這是因為沖擊斷裂過程很快，裂紋尖端局部受力，沒有充足的時間去完成微孔的聚合，也沒有充足的時間使韌窩顆粒周邊的韌帶得到充分伸展。
當沖擊試驗溫度為-40℃時，試驗鋼宏觀斷口由纖維區(qū)、剪切唇區(qū)和放射區(qū)組成，放射區(qū)所占比例較大，纖維區(qū)和剪切唇區(qū)占比較小。放射區(qū)微觀上主要呈現(xiàn)為解理結(jié)構(gòu)，但同時還存在較多的韌窩。相對于高溫而言，低溫下原子間的熱運動能力變?nèi)?，位錯難以滑移和攀移，塑性變形變得更加困難，因此材料易發(fā)生脆性斷裂，部分位置沿晶體學平面發(fā)生解理擴展，形成準解理斷裂形貌。解理斷裂需要的能量很少，載荷快速下降；但同時局部區(qū)域發(fā)生了塑性變形，導(dǎo)致能量增加，載荷下降趨緩，因此載荷快速下降曲線部分還存在少量小臺階，這些小臺階與放射區(qū)的局部韌窩結(jié)構(gòu)具有對應(yīng)關(guān)系。
隨著沖擊試驗溫度進一步降低至-60℃，沖擊試樣的宏觀斷口形貌與-40℃下相似，只是相比-40℃宏觀沖擊斷口，其放射區(qū)更大，纖維區(qū)和剪切唇區(qū)則更小，放射區(qū)微觀上的局部韌窩結(jié)構(gòu)更少，韌窩較小且呈帶狀分布。斷口形貌與該溫度下試驗鋼的沖擊能最小是吻合的。
3、 結(jié) 論
(1)隨著回火溫度的升高，試驗鋼的馬氏體逐漸消失，形成回火索氏體組織，室溫沖擊時消耗的沖擊能增大，承受的最大載荷減小；不同溫度回火試驗鋼的室溫沖擊斷口宏觀均可觀察到纖維區(qū)和剪切唇，斷裂機理均為韌性斷裂。550℃回火試驗鋼具有相對更好的綜合力學性能。
(2)隨著沖擊試驗溫度的降低，550℃回火試驗鋼所消耗的沖擊能逐漸減小，沖擊斷口宏觀形貌由完全纖維區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榻耆派鋮^(qū)，微觀形貌由完全韌窩形貌轉(zhuǎn)變?yōu)榘植宽g窩結(jié)構(gòu)的準解理結(jié)構(gòu)，斷裂機理由韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔选?/span>
(3)550℃回火試驗鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度較低，為33.64℃；即使在下平臺區(qū)，試驗鋼依舊具有較高的沖擊韌性，在沖擊斷裂過程消耗的沖擊能約為30J。
引用本文：
許天旱，張燚，畢柳涵.回火和沖擊試驗溫度對套管鉆井鋼沖擊韌性及斷裂機理的影響[J].機械工程材料，2023，47（4）：40-44，60.
Xu T H, Zhang Y, Bi L H. Effect of Tempering and Impact Test Temperature on Impact Toughness and Fracture Mechanism of Casing Drilling Steel, 2023, 47（4）: 40-44，60.
DOI:10.11973/jxgccl202304008
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