蘆 甜 ，溫國(guó)棟 ，馬曉琳 ，李 駿 ，居 培 ，王世清

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.西安石油大學(xué) 材料學(xué)院，陜西 西安 710072)

煤炭是重要的不可再生資源，隨著礦區(qū)資源的不斷開采，淺層煤炭資源逐漸面臨枯竭。在進(jìn)一步向更深煤層開采中，定向鉆進(jìn)技術(shù)因鉆孔軌跡精確可控、鉆孔軸線可調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)不僅用于煤炭及煤層氣領(lǐng)域，還用于其他事關(guān)國(guó)家資源戰(zhàn)略和國(guó)計(jì)民生工程[1-3]?；阢@探施工高質(zhì)量發(fā)展和減輕鉆孔工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度的理念，定向鉆進(jìn)裝備輕量化設(shè)計(jì)與應(yīng)用對(duì)鉆探裝備的發(fā)展有著重要意義。因此，鉆探裝備發(fā)展需求趨勢(shì)對(duì)鉆探裝備的強(qiáng)度和性能等提出了更高的要求[4-5]。

低碳高強(qiáng)鋼因其強(qiáng)度高、韌性好以及良好的焊接性能等優(yōu)點(diǎn)比普通鋼材在生產(chǎn)中更有優(yōu)勢(shì)。針對(duì)我國(guó)“碳達(dá)峰”“碳中和”的目標(biāo)，采用高強(qiáng)鋼能夠降低鉆探裝備自重，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品輕量化，節(jié)約能耗。故已在油氣鉆井裝備、礦山和各類施工所需的鉆機(jī)、鉆具等結(jié)構(gòu)件中開展應(yīng)用[6-7]。

鉆探裝備中使用的低碳高強(qiáng)鋼，通常使用淬火加高溫回火的方式得到回火索氏體組織，從而獲得較好的韌性與強(qiáng)度[8-10]。低碳高強(qiáng)鋼在不同回火溫度下其組織和力學(xué)性能確有差異，針對(duì)筆者所研究的這種低碳高強(qiáng)鋼，目前已有的研究中多采用中溫回火工藝[11]或回火后時(shí)間保溫較長(zhǎng)[12]，缺少在鉆探裝備工程生產(chǎn)中通常使用的淬火加高溫回火工藝研究。因此為保障低碳高強(qiáng)鋼在礦井和油氣裝備等領(lǐng)域重要結(jié)構(gòu)件服役中的安全性，筆者以礦井和油氣裝備領(lǐng)域使用的一種低碳高強(qiáng)鋼為研究對(duì)象，開展熱處理工藝試驗(yàn)，深入研究不同回火工藝參數(shù)對(duì)顯微組織、拉伸性能和沖擊性能。不僅為工程技術(shù)人員在低碳高強(qiáng)鋼熱處理工藝規(guī)范和方法選擇方面提供科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo)，也為低碳高強(qiáng)鋼鉆探裝備的安全應(yīng)用提供有力的理論支撐。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選自某鋼廠生產(chǎn)的低碳熱軋制高強(qiáng)鋼材，化學(xué)成分見表1。原材料供貨狀態(tài)為熱軋態(tài)，其微觀組織為鐵素體+貝氏體+少量珠光體，金相組織如圖1a所示。通過圖1b 可以看到，材料原始奧氏體晶粒比較細(xì)小。

圖1 低碳高強(qiáng)鋼原材料顯微組織Fig.1 Microstructure of raw materials of low-carbon high-strength steel

表1 試驗(yàn)鋼化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of the experimental steel

1.2 試驗(yàn)方法

該鋼的Ac3為852℃，Ac1溫度為725℃。Ms 相變溫度為418℃[11]，根據(jù)其相變臨界冷卻速度，本試驗(yàn)采用的調(diào)質(zhì)熱處理工藝，淬火溫度為940℃，保溫時(shí)間為1 h 后水淬直至鋼材溫度降到室溫。根據(jù)工程生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，回火溫度分別為610、630、650℃，保溫1 h 后空冷至室溫，隨后進(jìn)行顯微組織與力學(xué)性能的對(duì)比。

金相腐蝕劑為4%硝酸乙醇溶液，腐蝕后的試樣通過MR3000 倒置三目金相顯微鏡和Zeiss Sigma 300 掃描電鏡對(duì)其微觀組織進(jìn)行觀察分析，解釋回火溫度對(duì)顯微組織的影響規(guī)律。拉伸試樣根據(jù)GB/T 228.1?2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn)第1 部分：室溫試驗(yàn)方法》制作，采用SANS SHT4000 電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為1.2 mm/min。硬度測(cè)試采用1 000 g 載荷且保壓12 s。沖擊試樣尺寸為V 型缺口的10 mm×10 mm×55 mm 夏比沖擊試樣，采用擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同回火溫度對(duì)顯微組織的影響

在不同回火溫度下試樣經(jīng)掃描電鏡檢測(cè)后的微觀組織形貌如圖2 所示。從圖2a 中可以看到，經(jīng)過610℃回火后，原始組織中的奧氏體晶界依稀可見?；鼗鸷?，其板條特征并未完全消失，在板條上彌散有大量細(xì)小的析出碳化物，這些碳化物的形狀呈顆粒狀和棒狀，試樣在此溫度下的組織為回火馬氏體+回火索氏體[12-13]。當(dāng)回火溫度增加至630℃后，原奧氏體邊界消失，回火馬氏體組織開始出現(xiàn)回復(fù)并變寬，板條特征消失[12-14]，故圖2b 中的主要為回火索氏體。由圖2c 中可以得到，當(dāng)回火溫度進(jìn)一步增加至650℃后，奧氏體晶界完全消失，顯微組織發(fā)生再結(jié)晶，此時(shí)棒狀與顆粒狀的碳化物隨著回火溫度的升高，逐漸變短、變粗，最后成為近球狀的碳化物分布在回火索氏體中[12-15]。

圖2 不同回火工藝SEM 組織Fig.2 SEM structure of different tempering processes

2.2 不同回火溫度下拉伸力學(xué)特征

圖3 為原材料在不同回火溫度下的拉伸特性曲線，圖4 為母材在不同回火溫度下的屈服強(qiáng)度變化曲線。從圖3、圖4 可以看出，經(jīng)過淬火+高溫回火工藝后材料的屈服強(qiáng)度與母材相比均有所提高。在回火溫度為610℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度從由母材的810 MPa 可提升至1 060 MPa，提升了31%；屈服強(qiáng)度由750 MPa 可提升至1 020 MPa，提高了36%，強(qiáng)度性能最佳。此后繼續(xù)增加回火溫度，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度逐漸下降。圖5中的斷面收縮率和斷后伸長(zhǎng)率均表現(xiàn)出相同的規(guī)律，即在回火溫度為610℃時(shí)，材料的斷面收縮率和斷后伸長(zhǎng)率最高，表現(xiàn)出較好的塑性性能。

圖3 母材與不同回火溫度下試樣的拉伸特性曲線Fig.3 Tensile characteristic curves at different tempering temperatures

圖4 母材與不同回火工藝溫度下試樣的屈服強(qiáng)度Fig.4 Yield strength of the base material and samples at different tempering temperatures

圖5 母材與不同回火工藝溫度下試樣的斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率Fig.5 The elongation and reduction of the base material and samples at different tempering temperatures

這是因?yàn)橐环矫骐S著回火溫度從610℃增加至650℃，熱能為大量的位錯(cuò)提供能量，使其發(fā)生遷移，位錯(cuò)之間的相互作用力降低，出現(xiàn)位錯(cuò)合并消失，位錯(cuò)增殖能力降低，使位錯(cuò)對(duì)晶界的釘扎效果減弱，故而位錯(cuò)密度降低，試樣的拉伸性能出現(xiàn)下降[12-13]。另一方面鐵素體對(duì)碳的固溶度較低，當(dāng)溫度較低時(shí)，溶質(zhì)原子和溶劑原子直徑不同，在溶質(zhì)原子周圍形成了晶格畸變應(yīng)力場(chǎng)，該應(yīng)力場(chǎng)和位錯(cuò)產(chǎn)生交互作用，從而使屈服強(qiáng)度提高；反之，溫度升高超過固溶度的碳將會(huì)以碳化物的形式析出，當(dāng)溫度升高時(shí)，碳化物從顆粒狀逐漸球化，從而使屈服強(qiáng)度受到影響[13]。

拉伸斷口形貌如圖6 所示。可以觀察到在母材和調(diào)質(zhì)后的試樣拉伸斷口中，均分布有大量韌窩，表明試樣具有較好的塑性。圖6a、圖6b 中的韌窩比圖6c、圖6d 的韌窩更多，且韌窩分布更加均勻，特別是圖6b中分布有大量的形狀規(guī)則的韌窩。圖6c、圖6d 的斷口除存在撕裂棱還有韌窩混雜在一起，韌窩呈拋物線狀，在切應(yīng)力的作用下沿拉伸方向拉長(zhǎng)，為拉長(zhǎng)韌窩。由此可見，在這種斷裂方式下的接頭斷裂方式為混合型斷裂，其斷裂模式仍是以韌性斷裂方式為主。韌窩的大小和深度決定于第二相粒子的大小和密度、基體材料的塑性變形能力和應(yīng)變硬化指數(shù)。結(jié)合拉伸特性曲線進(jìn)行分析，在母材和回火溫度610℃的試樣中，斷裂方式為韌性斷裂，當(dāng)溫度高于610℃時(shí)，斷裂方式趨向于混合斷裂。

圖6 不同回火溫度試樣的拉伸斷口形貌Fig.6 Tensile fracture morphology of samples at different tempering temperatures

2.3 不同回火溫度下沖擊力學(xué)特征

圖7 為不同試樣在常溫下沖擊結(jié)果。母材的沖擊功最低，平均沖擊功僅為28 J。隨著回火溫度的提高，沖擊功也逐漸提升，當(dāng)回火溫度為610、630、650℃時(shí)，平均沖擊功分別為65、91、114 J。因母材組織與鐵素體+珠光體鋼相比存在貝氏體，故其沖擊功低。通過分析圖8 中沖擊斷口形貌，可以得到原材料的斷口形貌(圖8a)呈現(xiàn)河流狀花樣，其解理面清，為解理斷裂形貌。圖8b 是試樣在610℃回火時(shí)，室溫下的沖擊斷口，為韌窩斷口。該斷口分布有大量規(guī)則的韌窩，符合韌性斷裂的特征。隨著回火溫度的增加，斷口逐漸出現(xiàn)撕裂棱和斷裂帶，這些斷裂帶中存在有一定數(shù)量細(xì)小的韌窩(圖8c、圖8d)。但與圖8a 中的韌窩相對(duì)比，其韌窩較少、較淺。

圖7 母材與不同回火工藝溫度下試樣的沖擊功Fig.7 Impact energy of the base material and samples at different tempering temperatures

圖8 不同回火溫度試樣的沖擊斷口形貌Fig.8 Impact fracture morphology of samples at different tempering temperatures

當(dāng)回火溫度逐漸升高時(shí)，淬火后的馬氏體組織開始發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶，基體逐漸軟化，相比未經(jīng)處理的原材料，其塑性得到提升，沖擊吸收能量升高。當(dāng)回火溫度大于610℃后，部分回火馬氏體組織開始發(fā)生回復(fù)，形成軟化程度更高的回火索氏體，材料進(jìn)一步變軟，抵抗裂紋擴(kuò)展的能力進(jìn)一步得到提升，韌性沖擊吸收能量增加[16-18]。因此，該高強(qiáng)鋼在不同回火溫度的拉伸性能與沖擊性能的趨勢(shì)不相同。

2.4 不同回火溫度下硬度特征

使用維氏硬度計(jì)分別測(cè)量原材料和不同回火溫度下組織的顯微硬度，如圖9 所示。原材料的平均顯微硬度為268 HV，610℃回火溫度下平均顯微硬度為332 HV，630℃回火溫度下平均顯微硬度為303 HV，650℃回火溫度下平均顯微硬度為280 HV。從圖9可以看出，隨著回火溫度的增加，顯微硬度逐漸下降，與試樣的拉伸性能呈現(xiàn)相同趨勢(shì)。這是因?yàn)?，隨著回火溫度升高，位錯(cuò)開始滑移，并合并消失。馬氏體逐漸分解，鐵素體基體中合金元素固溶度降低，碳化物逐漸析出，形成回火索氏體組織，位錯(cuò)的消失，使其對(duì)晶界的“釘扎”阻礙作用減少，故顯微硬度下降[17-18]。從而使硬度降低[17-18]。

圖9 母材與不同回火工藝溫度下試樣的顯微硬度Fig.9 Microhardness of the base material and samples at different tempering temperatures

3 結(jié)論

a.試驗(yàn)鋼610℃回火時(shí)，顯微組織為回火馬氏體+回火索氏體。當(dāng)回火溫度在630～650℃時(shí)，回火馬氏體發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，組織以回火索氏體為主。

b.在回火溫度為610～650℃時(shí)，試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度隨回火溫度的增加逐漸降低，最高可達(dá)1 020 MPa(回火溫度610℃)，與原材料相比提升36%。抗拉強(qiáng)度與顯微硬度呈現(xiàn)相同規(guī)律。

c.回火之后的試樣沖擊功比原材料沖擊功高，且隨著回火溫度的增加，沖擊功也增加。650℃回火溫度下的沖擊功最高，平均沖擊功可達(dá)100 J。

d.回火溫度為610℃時(shí)，拉伸斷口和沖擊斷口均展現(xiàn)出韌性斷裂的特征；當(dāng)回火溫度高于610℃時(shí)，拉伸斷口和沖擊斷口混合斷裂模式。

e.通過調(diào)節(jié)可有效提升該低碳高強(qiáng)鋼的抗拉強(qiáng)度和沖擊功。為滿足該低碳高強(qiáng)鋼在工程生產(chǎn)中的應(yīng)用，可后續(xù)對(duì)不同規(guī)格尺寸的低碳高強(qiáng)鋼進(jìn)行回火工藝研究，以滿足其在工程生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。