王洪煒，楊宏偉

(石家莊探礦機(jī)械廠，石家莊 050000)

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R780鋼管鍛造后的力學(xué)性能分析

王洪煒，楊宏偉

(石家莊探礦機(jī)械廠，石家莊 050000)

對36Mn2V材質(zhì)的R780鋼級鋼管的管端進(jìn)行鍛造加厚后再經(jīng)正火處理，取樣做力學(xué)性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度不符合要求;取端部鍛造加厚未經(jīng)正火處理的試樣做力學(xué)性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度雖符合要求，但韌性較低。通過分析實(shí)際生產(chǎn)中鍛造鋼管的金相組織，說明提高鋼管鍛造強(qiáng)度的因素主要是：一是形變強(qiáng)化，二是在奧氏體狀態(tài)下進(jìn)行塑性變形，增大了珠光體的相變成核率[1]。這說明只要能夠進(jìn)行合理的鍛造工藝，不僅可以提高材料的強(qiáng)度，還能提高其韌性。

鋼管；鉆桿；鍛造；力學(xué)性能；強(qiáng)度；韌性

1 引言

經(jīng)過鍛造的鋼材制品在生產(chǎn)中能夠獲得廣泛的應(yīng)用是由于鍛造加工時鋼材產(chǎn)生塑性變形，滿足一定條件時可以獲得較細(xì)的晶粒，并可使力學(xué)性能得到提高。高溫時鍛造產(chǎn)生的塑形變形對相變產(chǎn)生影響，在這種情況下獲得的金相組織又影響力學(xué)性能。在大應(yīng)力作用下，奧氏體經(jīng)變形，在連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過程中產(chǎn)生珠光體相變(CCT曲線)的研究，在實(shí)際生產(chǎn)中具有重要意義。由于目前缺少資料，從生產(chǎn)實(shí)踐中觀察鍛造后的組織形態(tài)，來說明塑性變形在連續(xù)冷卻時，奧氏體向鐵素體和珠光體組織轉(zhuǎn)變的影響。

R780鋼級的鋼管，常被用于地質(zhì)鉆桿。其力學(xué)性能要求Rm≥780 MPa，Rt0.5≥520 MPa，A≥15%。雖然沒有對韌性提出明確要求，但在實(shí)際工作中，因韌性低，發(fā)生脆性斷裂的事件也不少見，因此韌性也不能太低。

本文通過力學(xué)性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過鍛造加厚過的鋼管空冷后，又經(jīng)過正火處理的試樣，其鍛造加厚部位強(qiáng)度不能滿足R780鋼級的要求。對于鍛造加厚過的鋼管空冷后，不再進(jìn)行正火處理的試樣，其鍛造加厚部位的強(qiáng)度滿足R780鋼級的要求。通過力學(xué)性能試驗(yàn)，對生產(chǎn)中鍛造加厚的R780鉆桿加厚端進(jìn)行性能分析，并結(jié)合金相試驗(yàn)分析，說明高溫時因鍛造產(chǎn)生的塑性變形，使相變組織珠光體的成核率增大，而使其片層間距減小，是材料強(qiáng)度提高的一個原因。另一原因是鍛造產(chǎn)生的形變強(qiáng)化。

2 材料與方法

2.1 化學(xué)成分

試驗(yàn)所用材料的化學(xué)成分如表1所示。

表1 R780鋼級36Mn2V的化學(xué)成分

2.2 拉伸和沖擊試驗(yàn)

對下列試樣做拉伸和沖擊試驗(yàn)：經(jīng)熱軋過的原材料R780鋼管(表2中1號)；和用該鋼管鍛造加厚過的部位(加厚端)：一種鍛造空冷后經(jīng)正火處理(表2中2號)，一種僅進(jìn)行鍛造空冷處理(表2中3號)。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

2.3 金相檢驗(yàn)

通過表2可以看出2號的強(qiáng)度不能滿足R780鋼級的鋼管要求,1和3號的強(qiáng)度均滿足要求,3號的沖擊韌性很差。又取3種試樣做金相檢驗(yàn)，見圖1、圖2和圖3分別對應(yīng)1號、2號和3號試樣。通過對三種金相試樣的分析，可以看出3種試樣的組織均為鐵素體+珠光體組織。其中3號試樣的晶粒最大，未發(fā)現(xiàn)明顯魏氏組織;可以推斷3號試樣的終鍛溫度較高。2號試樣的晶粒最小，鐵素體成網(wǎng)狀。1號和3號的鐵素體成鏈狀,3號試樣同等面積的鐵素體量，要比2號試樣少，其珠光體量要比2號多，且珠光體片層間距比2號小。

表2 拉伸和沖擊試驗(yàn)

注：表中沖擊試樣尺寸10 mm×10 mm×55 mm。1號本用沖擊試樣尺寸10 mm×7.5 mm×55 mm，其沖擊值(J)：44/37/45，為對比方便，表中為轉(zhuǎn)換后的數(shù)值。

圖1 原材料

圖2 鍛造空冷+850 ℃正火

圖3 鍛造空冷

3 結(jié)果與分析

從上述的拉伸試驗(yàn)可以看出，經(jīng)熱加工的1號和3號的強(qiáng)度要比正火處理的2號的強(qiáng)度要高。

材料的性能取決于金相組織，從金相組織看，3號的珠光體量較2號多，片層間距小。珠光體的片層間距減小是鍛造的塑性變形對連續(xù)冷卻中的珠光體相變產(chǎn)生了影響。其機(jī)理：在較高溫度進(jìn)行珠光體相變時，外加應(yīng)力提供的膨脹能，足以使形核率顯著增加，孕育期縮短[2]。在連續(xù)轉(zhuǎn)變過程中，由于變形使材料內(nèi)部產(chǎn)生空位、位錯等晶體缺陷，對于珠光體的形核率也會有一定影響。若是在奧氏體形變等溫后(因有再結(jié)晶)再進(jìn)行珠光體相變，則位錯對于碳的擴(kuò)散率沒有影響[2]。經(jīng)鍛造后,在連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過程中，奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的量增多，片層間距減小。3號從金相上看鐵素體的量也有所減少，并且轉(zhuǎn)變不利于魏氏組織的形成(如圖3金相所示)。

對于珠光體的增多和鐵素體的減少，應(yīng)與塑性變形和連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變時的過冷度有關(guān)。鍛造后在再結(jié)晶溫度長時間停留，會使位錯、空位和內(nèi)應(yīng)力消失。鍛造產(chǎn)生的塑性變形一部分用于增加后續(xù)的珠光體相變成核率，一部分被保留在組織中產(chǎn)生形變強(qiáng)化。在熱變形過程中既產(chǎn)生位錯和保留應(yīng)力又有再結(jié)晶現(xiàn)象，因再結(jié)晶溫度(終鍛溫度)低于始鍛溫度，在連續(xù)冷卻時的再結(jié)晶不會使形成的位錯、空位(宏觀為塑性變形)和應(yīng)力全部消失。鍛造的工件一旦經(jīng)正火(如2號)，其強(qiáng)度將會顯著降低，這是因?yàn)椴牧现匦录訜岬礁邷?，并?jīng)過一定時間的保溫，奧氏體的重新形核(再結(jié)晶)，消除了鍛造的應(yīng)力和塑性變形。因此，通過正火處理的珠光體量減少，而鐵素體量增多。

材料晶粒的大小對韌性有影響。3號的晶粒與1號和2號相比明顯粗大，這種粗大的組織使3號的韌性明顯低于1號和2號。鍛造時將材料加工到高溫下，常會使晶粒粗化，在后續(xù)的變形過程中，粗化的晶粒會破碎，隨后再結(jié)晶，從而使晶粒得到細(xì)化[2]。如果終鍛溫度較高，仍會使晶粒粗化，這將使材料的韌性變差。如果3號試樣在鍛造時，對終鍛溫度控制的合適，不僅會使強(qiáng)度提高，也會使韌性提高。

4 結(jié)論

通過對上面試驗(yàn)結(jié)果的分析，可以得出如下結(jié)論：

(1)鍛造處理的材料強(qiáng)度比正火處理的強(qiáng)度高。一個重要原因是產(chǎn)生的位錯、空位和內(nèi)應(yīng)力對材料的強(qiáng)化。另一個原因是鍛造的塑形變形在連續(xù)冷卻下，對奧氏體向珠光體的轉(zhuǎn)變，有增大成核率的作用。它使鍛造連續(xù)冷卻后的珠光體比正火的多，片層間距小。

(2)為避免鍛造使材料的晶粒粗化，對生產(chǎn)中需鍛造處理的鋼，應(yīng)控制其鍛造的始鍛溫度和終鍛溫度，而使鋼的晶粒細(xì)化。這樣不僅能夠提高材料的強(qiáng)度，也能提高其塑性和韌性。

[1] Kehl G L,Bhattacharyya S. The influence of tensile stress on the isothermal decomposition of austenite to ferrite ang pearlite[J]. Trans.ASM, 1956, 48:234-248.

[2] 徐祖耀. 應(yīng)力作用下的相變[J]. 熱處理,2004,19(2):1-8.

[3] 吉田亨,張克儉. 預(yù)防熱處理廢品的措施[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,1979: 64-71.

2017-02-22

王洪煒(1983-)，男，河北南宮人，石家莊探礦機(jī)械廠助理工程師，主要從事理化性能檢驗(yàn)工作，石家莊市鹿泉區(qū)昌盛大街69號，E-mail：uv193@sina.com。

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