陈曦 方艺蒙 曹宝山 魏文华 马庆岩 万荣春 龚勋
石油套管钢用量占的全部石油工业用钢用钢的30%左右，而且只能一次性使用，因此需求极大[1-3]。N80级常用的直缝焊石油套管钢，按照SY/ T 5989-2019《直缝电阻焊套管》标准规定要求其要有高的强度（屈服强度不低于552MPa，抗拉强度不低于689MPa），低的屈强比，良好的塑性韧性（断后伸长率不低于16%，0℃横向KV不低于32J）和焊接性[4-6]。而要获得良好的综合力学性能，石油套管钢生产过程中控轧控冷的工艺尤为关键。
本文以N80级石油套管钢作为试验钢，利用固溶、奥氏体化和等温等热处理方法模拟了控轧控冷过程中的一些关键的温度参数，研究不同等温温度对 N80级石油套管钢显微组织和力学性能的影响。通过分析和讨论，确定最佳的等温处理温度参数，从而为N80级石油套管钢控轧控冷过程中的一些关键的温度参数制定提供依据。
1试验材料与方法
试验钢在500Kg中频感应电炉熔炼，浇注200Kg铸锭，然后加热到1200℃，热锻成10 mm厚的板材。试验钢的具体化学成分如表1所示。
将热锻后的板材切割成300mm×200mm×10mm块状试样，然后进行热处理，具体热处理工艺如图1所示。
将热处理后的试样制备成金相试样，用型号为Axio Vert.A1蔡司倒置式显微镜观察并拍照，利用Image-Pro Plus软件进行组织分析。将热处理后的试样制备成透射电镜试样，利用H-800 型日立透射电镜观察试样的精细组织与粒子析出情况。
将热处理后的块状试样按照相关标准制成拉伸试样，在CTM9300微机控制电子万能试验机上进行力学性能测试（每个数据点代表3个平行试样的平均值），拉伸速率为1×10-3 s-1。将热处理后的试样按照相关标准制成V型缺口试样，在JB-W300A微机控制冲击试验机上进行低温韧性冲击试验（每个数据点代表3个平行试样的平均值），冲击温度为0℃。
2试验结果与分析
2.1微观组织
试验钢经900℃奥氏体化不同等温温度处理后的组织如图2所示，试验钢在不同等温温度处理后的组织明显不同。在500℃等温处理时，试验钢的组织为铁素体（F）+贝氏体（B）+少量珠光体（P）。如图2a所示，白色块状的区域为铁素体组织，黑白相间板条状的区域为贝氏体组织，黑色块状的区域为珠光体组织。随着等温温度提高（550℃时），试验钢组织为铁素体+贝氏体+少量珠光体，组织中铁素体和珠光体体积分数略有增加，贝氏体体积分数略有减少，组织变化不太明显，如图2b所示。当等温温度达到600℃时（图2c），试验钢组织为铁素体+珠光体+少量贝氏体，组织中铁素体体积分数明显增加，珠光体和贝氏体体积分数则明显减少。
图3为试验钢不同等温温度处理后试验钢组织中铁素体平均晶粒尺寸和体积分数变化趋势。从图3中可以发现，随着等温温度升高，试验钢组织中铁素体平均晶粒尺寸增大，体积分数也增多。但等温温度从500℃升高到550℃时，铁素体平均晶粒尺寸从5.8μm增加到6.2 μm，体积分数从39 %增加到42%，铁素体平均晶粒尺寸和体积分数变化不明显。当等温温度达到600℃，铁素体平均晶粒尺寸达到10.1 μm，体积分数达到72%，铁素体晶粒明显粗化，体积分数也明显增加。这说明，当等温温度从500℃升高到550℃时，等温温度对试验钢组织中的铁素体没有明细影响，但到温度升高到600℃时，铁素体晶粒明显粗化，体积分数明显增加。
图4为550℃等温处理后试验钢在透射电镜下典型组织。图4a为板条状贝氏体，主要由碳过饱和板条铁素体和碳化物组成，在铁素体内部存在高的位错密度和晶格畸变[7]。图4b为珠光体和铁素体组织，其中黑白相间的层片区域为珠光体。
如图5所示为试验钢经900℃奥氏体化不同等温温度处理后组织中析出第二相粒子。由于试验钢中添加了Nb、V和Ti等微合金元素，这些微合金元素容易在钢中析出碳氮化物，所以试验钢中析出第二相粒子应该是Nb、V和Ti等微合金元素的碳氮化物。从图5中可以看到，第二相粒子的尺寸在几纳米到10～20纳米之间。此外还可以发现，随着等温温度升高，试验钢中第二相粒子数量也明显增加，600℃等温处理时，试验钢中第二相粒子数量最多。
2.2力学性能
如图6为试验钢经900℃奥氏体化不同等温温度处理后的屈服强度（ReL）、抗拉强度（Rm）、断后伸长率（A）和冲击韧性（KV，0℃）的平均值对比。从图6中可以看到随着等温温度的升高，试验钢强度逐渐下降，600温度等温时下降最为明显。然而，试验钢的断后伸长率和冲击韧性则呈现随等温温度的升高逐渐上升的趋势。
从图6中可以发现，试验钢等温温度从500℃升高到550℃时，强度则略有上升（ReL增加了4MPa，Rm增加了10MPa），但当等温温度600℃时，强度出现明显下降（ReL增加了105MPa，Rm增加了135MPa）。再来看，试验钢等温处理温度从500℃升高到550℃时其断后伸长率和冲击韧性增加量（A增加5%，KV增加12J）略微大于等温处理温度从550℃升高到600℃时其断后伸长率和冲击韧性增加量（A增加2%，KV增加10J）。綜上所述，经900℃奥氏体化550℃等温温度处理后，试验钢具有最佳的综合力学性能，这时试验钢有最高的屈服强度和抗拉强度，还有良好的塑性（A）和韧性（KV，0℃）。同时能满足SY/T 5989-2019标准规定N80级直缝焊套管钢的力学性能[6]。
结合试验钢组织（图2）来看，等温温度为500℃和550℃时组织差别不，贝氏体、铁素体和珠光体体积分数基本接近，铁素体平均晶粒尺寸（图3）也基本相近，所以试验钢等温温度为500℃和550℃时力学性能也基本相近。但由于等温温度为550℃时试验钢中析出的第二相粒子数量明显高于其在500℃温度等温处理时析出的第二相粒子数量（如图5所示），第二相粒子强化明显，试验钢等温温度从500℃升高到550℃时，强度则略有上升。当试验钢等温温度达到600℃时，尽管试验钢中析出的第二相粒子数量进一步增加，但由于组织中贝氏体和珠光体体积分数明显下降，其强度也出现明显下降，塑性韧性则明显提高。
3结论
（1）等温温度对试验钢组织的影响是：当从500℃升高到550℃，等温温度对试验钢不同的组织体积和晶粒尺寸影响不明显；
但当等温温度升高到600℃时，铁素体晶粒明显粗化，铁素体体积分数明显增加，珠光体和贝氏体体积分数明显减少。
（2）等温温度对试验钢力学性能的影响是：当从500℃升高到550℃，试验钢屈服强度和抗拉强度略有上升，塑性韧性明显提高；
但到温度升高到600℃时，试验钢屈服强度和抗拉强度明显下降，塑性韧性继续提高。试验钢最佳的等温处理温度为550℃。
参考文献：
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[6] SY/T 5989-2019，直缝电阻焊套管[S].
[7] 刘宗昌.贝氏体与贝氏体相变[M].北京：冶金工业出版社，2009.
作者简介：陈曦（1993-），女，硕士，助教，主要研究方向：金属材料组织与性能，腐蚀与防护；
Email：352220626@ qq.com。
通讯作者：龚勋（1983-），男，博士后，研究员，研究方向：产业经济学，E-mail：gongxun83@aliyun.com
基金项目：中国船舶工业综合技术经济研究院《国外材料领域国防实验室军民融合发展策略研究》项目
（作者单位：陈曦，渤海船舶职业学院材料工程系；
方艺蒙，四川大学匹兹堡学院；
曹宝山，辽宁顺达机械制造（集团）有限公司；
魏文华、马庆岩、龚勋，葫芦岛市军民融合和新材料产业发展中心；
万荣春，渤海船舶重工有限责任公司博士后流动站）
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