热处理温度对钢组织性能影响（论文） .doc

不同温度正火对中碳低合金钢显微组织和力学性能的影响 摘要：不同温度下正火可以改变材料的显微组织和力学性能。利用维氏硬度计，扫描 电子显微镜（sem），万能试验机等设备来分析不同正火温度对中碳低合金钢的组织及 力学性能的影响是非常必要的。通过试验分许可知，随着正火温度的升高，显微组织 晶粒略有长大，但珠光体组织显著的由条状转变为团块状。正火材料的显微组织均由 珠光体和铁素体构成；随着正火温度的升高，材料抗拉强度呈单调增加趋势，尤其是 正火温度由 810上升到 840，抗拉强度发生急剧变化。这归因于材料中的珠光体团 有足够的时间由条状转换为团块状。随着正火温度的升高，尽管冲击韧性具有一定的 波动，但总体呈增加趋势；当正火温度为 840，奥氏体化时间为 30min,可获得性能 良好的 k55 钢，组织由珠光体和铁素体构成，0时冲击吸收功大于 104j，抗拉强度为 718mpa, 满足 api spec 5ct 标准对 k55 钢级别性能的要求。 关键词：显微组织；正火处理；断口；拉伸性能；冲击韧性 the effect of different normalizing temperature on microstructure and mechanics properties of medium carbon low-alloy abstract: different normalizing temperature leads to many changes on the microstructure and mechanical properties of metallic material. it is necessary to analyze what are the effects of different normalizing temperature on microstructure and mechanics properties of medium carbon low-alloy by vickers hardness tester, scanning electron microscope(sem) and universal testing machine .it is clearly known that as normalizing temperature increases, the size of the microstructure crystallite slightly grow up, at the same time，the shape of pearlite changes from strip-type to round state significantly . normalizing material microstructure is constitute of pearlite and ferrite; the tensile strength of specimen is increasing from beginning to end, especially the tensile strength increases sharply while the normalizing temperature rise from 810 to 840 . it is attributed to the pearlite having enough time to grow up and change from strip-type to round state. however，the overall trend of impact toughness is increasing with the normalizing temperature rising except a little fluctuations ; when normalizing temperature is 840 , and the time of austenization as long as 30min, it can obtain the steel k55 with the good mechanics properties，it is constitute of ferrite and pearlite , the value of impact energy is greater than 104j at 0 impact testing , its tensile strength is 718 mpa which meets the property requirements for api spec 5ct of k55 steel . key word：microstructure；normalizing treatment；fracture surface ；tensile property ；impact toughness i 目 录 1 绪论.1 1.1 套管钻井的概述1 1.1.1 套管钻井技术的简介.1 1.1.2 套管钻井的优点.1 1.1.3 国外套管钻井技术的发展及应用.2 1.1.4 国内套管钻井技术发展及应用.3 1.2 热处理工艺5 1.2.1 热处理基本概念.5 1.2.2 回火的种类及应用.5 1.2.3 回火的目的.6 1.2.4 退火的类型及作用.6 1.2.5 正火.7 1.2.6 退火和正火的区别及选择.8 1.3 本论文研究的意义8 2 试验设备和方法.10 2.1 试验材料10 2.2 试验设备10 2.2.1 箱式电阻炉.10 2.2.2 维氏硬度计.10 2.2.3 金相显微镜.11 2.2.4 扫描电镜.11 2.2.5 万能试验机.12 2.2.6 冲击试验机.13 2.3 试验方法13 2.3.1 热处理工艺.13 2.3.2 维氏硬度试验.14 2.3.3 金相试验.16 2.3.4 材料成分分析.17 2.3.5 拉伸试验.18 2.3.6 冲击试验.20 ii 3 试验数据及结果分析.22 3.1 显微组织分析22 3.2 拉伸性能分析24 3.3 冲击性能分析25 3.4 断口形貌分析27 3.4.1 拉伸断口形貌分析.27 3.4.2 冲击断口形貌分析.28 4 结论.31 参考文献.32 致谢.34 1 1 绪论 1.1 套管钻井的概述 1.1.1 套管钻井技术的简介 早在 20 世纪 50 年代就有人设想用套管代替钻杆来完成钻井作业。但受当时的技 术和装备条件的限制，很难实现这一设想。在 20 世纪 90 年代，由于新技术、新材料 以及电子技术的大发展，促进了石油开采技术不断发展，一大批钻井新工艺、新工具、 新装备涌现出来，套管钻井技术再一次被人们提出来。加拿大 texco 公司 1996 年进 行了第一口套管钻井的试验井，该井为试验场地井，用 95/8套管钻进了 150 米。到 2000 年底 texco 公司采用套管钻井技术一共完成了 20 多口开发井，取得了良好的经 济效益。 套管钻井与常规钻杆钻井相比具有明显的优势，它是钻井工程的一次技术性革命，它 能为油田经营者带来巨大的经济效益1。 套管钻井技术是指在钻井过程中，直接利用套管代替钻杆串来完成钻井作业，即 用套管代替钻杆和钻铤来对钻头施加扭矩和钻压，一边钻进一边下套管，完钻后作钻 柱用的套管留在井内作完井用。套管钻井技术将钻进和下套管合并成一个作业过程， 钻头和井下工具的起下在套管内进行，不再需要常规的起下钻作业。整个钻井过程不 再使用钻杆、钻铤等，钻头是利用钢丝绳投捞，在套管内实现钻头升降，即实现不提 钻更换钻头、钻具。因此套管钻井能够节省起下钻时间，提高效率，并大量节省钻具 的采购、运输、检验、维护、更换等过程中的人力、物力等费用，大幅度节约钻井成 本。套管钻井方式分两种，一是采用套管旋转钻进，动力源来自于地面驱动装置，扭 矩通过套管传递给钻头，这种方式对套管及其螺纹连接强度要求较高；二是采用井下 动力钻具钻进，这种方式使套管的受力状况有所改善。 1.1.2 套管钻井的优点 目前，套管钻井技术主要用于表层套管及技术套管的钻进，它是钻井工程的一次 技术性革命，经济效益显著。相对于常规钻井，套管钻井技术有以下优点 2-3: (1) 钻进时间。常规钻杆钻井更换钻头或改变井下钻具组合时(见图 1-1)，需将钻 杆提出井眼，花费大量的起下钻时间。套管钻井是采用钢丝绳起下钻，要比常规钻杆 起下钻快 510 倍，因此，因起下钻套管钻井要比常规钻杆钻井提高有效生产时间 2530%。 (2) 减少井下事故。因井眼内地层膨胀和井壁坍塌等原因，造成卡钻事故。由于套 管钻井的井筒自始至终有套管伴随到底，大大减少了常见的地层膨胀、井壁坍塌、冲 2 刷井壁、井筒键槽和台阶。因此，套管钻井可大幅度地降低钻井卡钻事故率。 (3) 改善井控状况。钻具起钻时产生抽汲作用，将诱发井喷，由于套管钻井时井筒 内始终有套管，也不再有起下钻杆时对井筒的抽汲作用。因此，由起钻诱发井喷状况 大为改善。 (4) 保持起下钻时泥浆的连续循环。由于套管钻井在动力水龙头上安装了液压式缆 绳防喷器和钢丝绳密封装置。可以保证起下钻时泥浆的连续循环，防止了钻屑沉积、 井壁掉块、井涌等井下事故的发生。 (5) 改善水力参数、环空上返速度和清洗井筒状况。由于套管的内径比钻杆大，沿 程水力损失大为减小。从而减小了钻机泥浆泵的配备功率。环行空间的减小提高了泥 浆上返速度，改善了携屑状况。 (6) 可以减小钻机尺寸，简化钻机结构、降低钻机费用。由于水力参数的改善，钻 机泥浆功率有所下降，因此，钻机的运行成本有所下降；由于套管钻井可以取消二层 平台和钻杆排放区域，因此，井架高度可以减小，底座的重量可以减轻。对于钩载巨 大的深井钻机而言，套管钻井所用钻机比钻杆钻井所用钻机从结构上、重量上要简单 得多。因此，钻机成本和钻机运行费用将大幅度减少。由于钻机更加轻便，易于搬迁 和操作，人工劳动强度及费用都将减少。 (7) 节省与钻杆和钻铤有关的采购、运输检验、维护和更换等过程有关的大量人力、 物力与费用。综合以上优点可以看出，套管钻井工艺是一种全新的钻井工艺，可以大 量节省钻井器材，缩短钻井和完井时间，大大减少钻井费用，其经济效益将十分显著， 将是未来钻井工程的一个重要的发展方向。 图 1-1 套管钻井井下工具串 1.1.3 国外套管钻井技术的发展及应用 1.1.3.1 tesco 套管钻井系统 tesco套管钻井系统以常用的油田生产套管作为钻杆进行钻井和下套管作业。通过 钻具组合上部的钻井锁对钻具和套管进行机械连接(轴向和扭矩)和液压密封。同时在 套管柱处安装了1个嵌入和取出的机械装置。钻井锁下边的钻具组合最下部是导向钻头， 有时也可能包括其他常规钻柱组件，如管下扩眼器、泥浆马达、取芯工具或导向系统 等。在定向井钻进中，井下钻具组合还包括弯外壳井下马达和随钻测量仪，诸如随钻 3 测井或取芯设备等其他工具也可以同时下井。 tesco公司自1995年起开始套管钻井技术研究，其出发点就是节省钻井时间，降低 钻井成本。液压技术和液压设备是该公司的技术专长，为此，该公司专门设计和开发 出了一种全液压套管钻井车载钻机。1998年6月中旬， tesco公司在其研究开发中心院 内钻了第一口套管钻进试验井，耗资400 104 美元，随后又在该井中钻了1个定向井 眼和1个侧钻井眼。后来该公司又在大院内完成了另外1口试验井，用套管钻井技术钻 成1个水平井眼和1个s形井眼。2 口井先后用229. 2mm、193. 7mm、177. 8mm、139. 7mm和114. 3mm共5种规格的套管钻进，总进尺达2 774m，证明了套管钻 井的可行性。 tesco公司已基本形成了一套颇具特色的配套设备和套管钻井工艺技术，并进入 工业应用阶段，可用114. 3330. 6mm 7种规格的套管钻进。1999年上半年，陆续 在加拿大的艾尔伯塔省进行了数口浅层直井的现场应用，此后又完成了1口定向井，以 进一步评价、改进套管钻井技术及其工具。在实际生产中，该公司不断改进工具并扩 大钻井用套管的尺寸，又钻成了数口定向井和水平井，并进行了取芯作业。2000年以 来，该公司先后与美国雪佛龙公司、荷兰壳牌公司、阿曼石油发展公司(pdo)等合作， 在墨西哥湾、阿曼、北海等地区20多口井中成功实施了套管钻井作业。从1999年到 2005年，加拿大tesco公司利用套管钻井技术共钻井300多口，其中定向井12口 5。 1.1.3.2 weatherford 套管钻井系统 weatherford套管钻井系统与tesco套管钻井系统原理及设备基本相同，但 weatherford套管钻井系统更侧重表层(或技套)的施工，立足于1只钻头打完全部进尺， 而不在套管内起下工具串。其所用pdc钻头为特制，胎体由易钻材料制成，通过1个特 殊装置(投球丢手)与套管相接。套管内可预先放置易钻固井浮箍(简易承托环) ，钻至 预定井深后，利用特殊装置将下部钻头胀裂，然后进行固井作业。下次开钻时可将钻 头体方便地钻碎，由钻井液携带至地面排除。进行生产层钻井时钻头可直接与套管下 部接箍连接，钻至设计井深后和生产套管一起进行固井，不必与套管分离。 weatherford公司的套管钻井技术应用比较广泛，国内外已经应用了300多口井，均取 得了较好效果。 泛美石油公司( pea)应用weatherford套管钻井技术在位于阿根廷南部的龙丘油田 ( cerrodragon)广泛采用套管钻井技术新钻开发井，获得了新的产能。泛美石油公司 对5口新井实施了套管钻井。试验取得了非常满意的结果:这5口井的平均钻深为 2150m，与常规钻井相比，钻井时间大大缩短，采油效果显著提高，在老油田提高产能 方面取得了新的突破 6。 1.1.4 国内套管钻井技术发展及应用 套管钻井技术课题是国家863计划“先进钻井技术与装备”的研究课题，于2006年 4 12月经国家科技部批准立项，由吉林油田集团公司作为依托单位承担此课题，并由其 他4个单位协作完成。 吉林油田应用勘探开发研究院针对开发钻井浅的特点，建立了适应转盘钻井驱动 方式的浅开发井套管钻井工具配套系统，自主研发的套管钻井技术，包括套管驱动头、 超短圆螺纹对顶承扭接箍、专用承扭保护器、钻头连接器、抗粘扣型螺纹密封脂等5项 专利技术，成功解决了国内陆上油田在现有装备条件下实施套管钻井的难题。同时， 运用套管钻井技术进行了8口井的套管钻井现场试验。该项目首创了国内套管钻井实现 主力油层裸眼测井的工艺技术，在国内首次完成了井深1 000m 以上套管钻井现场试验。 大港油田从2003年开始进行套管钻井技术的研究，在国内首次开发了陆上油田表 层套管(339. 7mm)钻井工艺，该项技术填补了国内在该领域的空白。同时，该公司还 研发了具有自主知识产权的套管钻井工具(339. 7mm套管驱动器) ，独立研制了套管钻 井用431. 8mm (17 in)钻鞋，在国内尚属首创，并在理论研究基础上，率先进入工业性 生产，填补了国内无套管钻鞋这一空白。在开发井的339. 7mm表层套管钻井中使用 weatherford公司bbl的套管钻井技术，在渤海湾赵东油田一次成功完成钻井22口，总 进尺5 626m，最高单井平均机械钻速231. 1m /h，刷新了套管钻井的世界记录，这也是 套管钻井技术首次在国内大规模的应用。2007年1月完成了庄海4x1 人工井场13口井顶 部驱动表层套管批钻(用同一部钻机在同一井区集中完成表层套管、技术套管或油层套 管的钻井方式) 。2007年7月在舍女寺区完成第一口转盘驱动钻机套管钻井试验。 为了降低钻井成本，实现外围未动用储量经济有效地开采，大庆油田开展了表层 套管钻井技术的试验研究，包括套管钻井总体方案及工艺、套管串结构及其附件、井 下钻具及固井专用工具的开发研究。实现了非顶驱钻机条件下表层套管钻井所需的设 备改造，完成了表层和油层套管钻井所需仪器的配套、339. 7mm和273. 1mm 2种规 格表层套管钻井所需工具和管串的研制，并在4口井进行了表层套管钻井试验，其中 339. 7mm表层套管钻井试验井1口， 273. 1mm表层套管钻井试验井3口。在套管钻井 过程中，大庆油田自行研制的设备、仪器、工具及与之配套的工艺技术均证明是成功 的，套管钻井的平均机械钻速高于常规钻井，缩短了钻井周期。 2004年，胜利油田在海洋钻井公司的垦东341井应用套管钻井技术进行了表层套管 钻井，该井设计井深2 350m，使用套管钻井完成了459. 62m的表层套管井深，机械钻 速达26. 3m /h，比常规钻井速度提高45%，这是中国石油化工集团公司套管钻井技术的 首次应用。 2007年，大港油田在滩海地区埕海一号人工井场应用weatherford公司套管钻井技 术，通过在导管上安装快速连接套管头装置进行无钻机固井，与套管钻井交叉施工， 完成了13口井339. 7mm表层套管段的钻井作业。13口井表层套管段平均井深320. 5 49m，总进尺4 166. 40m，平均机械钻速83. 33m /h，单井平均机械钻速最高127. 28m /h，平均每天完成1. 5口井，创造了该区块的最高指标。在k45 - 50井利用转盘套管钻 井技术，机械钻速达228. 0m /h，均创造了大港滩海地区套管钻井的新纪录。 2008年3月份，为确保在冀东油田施工的每一口井成功，中国石油集团公司海洋工 程有限公司1钻井平台积极推广新技术、新工艺，应用pdc钻头+导向马达成熟配套钻 井技术，大大提高了钻井速度，缩短了钻井周期，连创日进尺上千米的高纪录；应用 weatherford套管钻井技术，使机械钻速指标不断刷新；应用无候凝固井和尾管固井不 留水泥塞新技术，比采用普通尾管固井技术缩短完井时效2天以上；加强泥浆管理，合 理选择钻井液体系，有效避免了井下复杂事故的发生，达到了完井电测一次性到底的 理想效果 7-10。 1.2 热处理工艺 1.2.1 热处理基本概念 金属热处理工艺大体可分为整体热处理、表面热处理和化学热处理三大类。根据 加热介质、加热温度和冷却方法的不同，每一大类又可区分为若干不同的热处理工艺。 同一种金属采用不同的热处理工艺，可获得不同的组织，从而具有不同的性能。钢铁 是工业上应用最广的金属，而且钢铁显微组织也最为复杂，因此钢铁热处理工艺种类 繁多。 整体热处理是对工件整体加热，然后以适当的速度冷却，获得需要的金相组织，以改 变其整体力学性能的金属热处理工艺。钢铁整体热处理大致有退火、正火、淬火和回 火四种基本工艺。 （1）退火：指金属材料加热到适当的温度，保持一定的时间，然后缓慢冷却的热 处理工艺。常见的退火工艺有：再结晶退火、去应力退火、球化退火、完全退火等。 退火的目的：主要是降低金属材料的硬度，提高塑性，以利切削加工或压力加工，减 少残余应力，提高组 织和成分的均匀化，或为后道热处理作好组织准备等。 （2）正火：指将钢材或钢件加热到或 （钢的上临界点温度）以上，3050保 持适当时间后，在静止的空气中冷却的热处理的工艺。 （3）淬火：指将钢件加热到 ac3 或 ac1（钢的下临界点温度）以上某一温度， 保持一定的时间，然后以适当的冷却速度，获得马氏体（或贝氏体）组织的热处理工 艺。常见的淬 火工艺有盐浴淬火，马氏体分级淬火，贝氏体等温淬火，表面淬火和局 部淬火等。淬火的目 的：使钢件获得所需的马氏体组织，提高工件的硬度，强度和耐 磨性，为后道热处理作好组 织准备等。 （4）回火：指钢件经淬硬后，再加热到 ac1 以下的某一温度，保温一定时间， 然后冷 却到室温的热处理工艺。常见的回火工艺有：低温回火，中温回火，高温回火 和多次回火等 11。 6 （5）调质：指将钢材或钢件进行淬火及高温回火的复合热处理工艺。 1.2.2 回火的种类及应用 根据工件性能要求的不同，按其回火温度的不同，可将回火分为以下几种： （1）低温回火（150250） 低温回火所得组织为回火马氏体。其目的是在保持淬火钢的高硬度和高耐磨性的 前提下，降低其淬火内应力和脆性，以免使用时崩裂或过早损坏。它主要用于各种高 碳的切削刃具，量具，冷冲模具，滚动轴承以及渗碳件等，回火后硬度一般为 hrc5864。 （2）中温回火（250500） 中温回火所得组织为回火屈氏体。其目的是获得高的屈服强度，弹性极限和较高 的韧性。因此，它主要用于各种弹簧和热作模具的处理，回火后硬度一般为 hrc3550。 （3）高温回火（500650） 高温回火所得组织为回火索氏体。习惯上将淬火加高温回火相结合的热处理称为 调质处理，其目的是获得强度，硬度和塑性，韧性都较好的综合机械性能。因此，广 泛用于汽车，拖拉机，机床等的重要结构零件，如连杆，螺栓，齿轮及轴类。回火后 硬度一般为 hb200330 12。 1.2.3 回火的目的 （1）降低脆性，消除或减少内应力，钢件淬火后存在很大内应力和脆性，如不及 时回火往往会使钢件发生变形甚至开裂。 （2）获得工件所要求的机械性能，工件经淬火后硬度高而脆性大，为了满足各种 工件的不同性能的要求，可以通过适当回火的配合来调整硬度，减小脆性，得到所需 要的韧性、塑性。 （3）稳定工件尺寸 。 （4）对于退火难以软化的某些合金钢，在淬火（或正火）后常采用高温回火，使 钢中碳化物适当聚集，将硬度降低，以利切削加工。 1.2.4 退火的类型及作用 将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温到一定时间，然后缓慢冷却（随 炉冷却） ，获得接近平衡状态组织的热处理工艺。 钢的退火工艺种类很多，根据加热温度可分为两大类:一类是在临界温度(ac1 或 ac3)以上的退火，又称为相变重结晶退火，包括完全退火、不完全退火、球化退火和 扩散退火等；另一类是在临界温度以下的退火，包括再结晶退火及去应力退火等，如 图 1-2 所示。 （1）完全退火和等温退火 7 完全退火又称重结晶退火，一般简称为退火，这种退火主要用于亚共析成分的各 种碳钢和合金钢的铸，锻件及热轧型材，有时也用于焊接结构。一般常作为一些不重 工件的最终热处理，或作为某些工件的预先热处理。 （2）球化退火 球化退火主要用于过共析钢及合金工具钢（如制造刃具、量具、模具所用的钢种） 。其主要目的在于降低硬度，改善切削加工性，并为以后淬火作好准备。 （3）去应力退火 去应力退火又称低温退火（或高温回火） ，这种退火主要用来消除铸件，锻件， 焊接件，热轧件，冷拉件等的残余应力。如果这些应力不予消除，将会引起钢件在一 定时间以后，或在随后的切削加工过程中产生变形或裂纹 13。 图 1-2 各种退火和正火的加热范围 1.2.5 正火 1.2.5.1 正火热处理的特点 （1）提高低碳钢的硬度，改善切削加工性。 （2）细化晶粒改善组织（如消除魏氏组织、带状组织、大块状铁素体和网状碳化物） 为最后热处理作组织准备。 （3）消除内应力，提高低碳钢性能，作为最后热处理 1.2.5.2 应用 主要用于低碳钢、中碳钢和低合金钢，对于高碳钢和高碳合金钢不常采用（仅当有 网状碳化物时采用） ，因为高碳钢和高碳合金钢正火后会发生马氏体转变 正火与退火比较，生产周期短，设备利用率高。另外，尚可提高钢的力学性能，因 此，可根据材料和技术要求，在某些情况下用正火代替退火 1.2.5.3 分类 8 （1）高温正火 提高组织均匀性，改善切削性，提高强度、硬度、耐磨性，或消除白口及游离渗 碳体；主要用于要求强度高，耐磨性好的球墨铸铁件；铸态组织中存在游离渗碳体时， 正火温度取上限；含硅（si ）量较高的铸件应采用较快的速度冷却，以防出现石墨化 现象 （2）低温正火 低温正火可以获得良好的强度、韧性和塑性；主要用于强度、韧性要求较高，而 对耐磨性要求不很高的球墨铸铁件；利用地方生铁熔铸球墨铸铁时，由于含硫、磷量 较高，而难以保证塑性、韧性指标。采用低温正火恰好可以弥补由此而引起的塑性、 韧性的不足 14-15。 1.2.6 退火和正火的区别及选择 1.2.6.1 退火与正火的主要区别： （1）正火的冷却速度比退火稍快，过冷度较大。 （2）正火后所得到的组织比较细，强度和硬度比退火高一些。 1.2.6.2 退火与正火的选择： （1）含碳量0.25的低碳钢，通常采用正火代替退火。因为较快的冷却速度可以 防止低碳钢沿晶界析出游离三次渗碳体，从而提高冲压件的冷变形性能；用正火可以 提高钢的硬度，低碳钢的切削加工性能（见图 1-3） ；在没有其它热处理工序时，用正 火可以细化晶粒，提高低碳钢强度。 图 1-3 热处理与切削工艺性的关系 （2）含碳量在 0.250.5之间的中碳钢也可用正火代替退火，虽然接近上限碳量的 中碳钢正火后硬度偏高，但尚能进行切削加工，而且正火成本低、生产率高。 （3）含碳量在 0.50.75之间的钢，因含碳量较高，正火后的硬度显著高于退火的 情况，难以进行切削加工，故一般采用完全退火，降低硬度，改善切削加工性。 （4）含碳量0.75的高碳钢或工具钢一般均采用球化退火作为预备热处理，如有 网状二次渗碳体存在，则应先进行正火消除 16-17。 9 1.3 本论文研究的意义 目前，金属材料是机械工业中应用最广泛的材料，它在机械设备所用材料中居首 位。套管钻井是近年来在石油领域发展较快的新的钻井技术，它具有效率高，成本低， 可重复使用的特点。然而套管钻井设备对材料的性能要求非常严格，在强度，抗冲击 性能和疲劳及耐腐蚀等方面有求更高。 套管钢在实际使用过程中常常受到 co2 腐蚀介质的腐蚀，特别是点蚀，引起管体 或局部区域的力学性能下降，甚至失效或报废 18-20。同时还受到来自轴向、横向、扭 曲、内压、外压、弯曲等各种形式的应力作用，加速了管体的腐蚀破坏和失效 21.因 此研究套管钢或管材的力学性能及变形和热处理对它的影响，对其在石油工业的实际 应用、安全性评、寿命预测和腐蚀行为等方面具有重要的工程价值和实际意义。 热处理能够通过改变金属材料的组织来改善金属材料的性能。因此，在用金属材 料制造机械零件时通常要进行热处理。热处理不仅能将金属材料变得更加容易制造， 还能使零件和工具获得所要求的性能。关键零件的热处理尤为重要，它若不热处理或 热处理不当，不仅使寿命低还可能造成严重事故。因此，热处理通常是机器制造过程 中必不可少的工序，是挖掘材料潜力、降低生产成本、提高产品质量的重要工艺方法。 因而只有选择合理的热处理工艺才能满足相应的性能要求。热处理工艺的基础是淬火， 回火，正火和退火。这四种热处理方法的作用以及对材料组织及性能的影响是我们研 究的关键。选择合理的热处理工艺可以提高材料的组织和性能，从而满足特定的工作 环境和力学要求。 本实验主要研究中碳低合金钢在不同温度下正火处理的组织及性能的变化。通过 分析其力学性能和显微组织在不同条件下的状况，达到改善其组织及力学性能的目的， 为套管钻井的施工和安全提供保障。 10 2 试验设备和方法 2.1 试验材料 试验材料由中石油西安管材研究所提供的，材料为中碳低合金钢。 2.2 试验设备 2.2.1 箱式电阻炉 本实验的热处理工艺是通过利用箱式电阻炉完成的(见图 2-1)。 图 2-1 箱式电阻炉 2.2.2 维氏硬度计 数显维氏硬度计 hvs-50 (图 2-2)采用先进的无摩擦主轴结构，保证试验的准确可靠， 11 图 2-2 hvs-50 数显维氏硬度计 可进行多种硬度值自动转换，实现了试验过自动化，硬度值自动显示、打印输出。数 显维氏硬度计 hvs-50 主要用于测定黑色金属、有色金属、硬质合金及表面渗碳、渗氰 层维氏硬度。 2.2.3 金相显微镜 mef4m 金相显微镜及图像分析系统（见图 2-3） ，用于鉴别和分析各种金属和合金 的组织结构。是金属材料检验及金属材料处理后的金相组织的分析研究等工作的良好 工具。 图 2-3 axiovert 405m 金相显微镜 2.2.4 扫描电镜 本次试验，采用jeol-6 390a型扫描电镜（见图2-4）。 （1） 基本原理：从电子枪发出的电子束经过两级聚束镜、偏转线圈和物镜后， 12 照射到样品上。扫描电镜的初级束和显像管的显示电子束作同步扫描，扫描电镜初级 束与样品相互作用激发的某些物理信号经放大后调制显像管的亮度。初级束打在样品 上可产生下列信号：二次电子、背散射电子、特征 x 射线等。根据不同的工作模式可 得到：二次电子像和背散射电子像，以及能谱图。 （2） 用途：扫描电镜（sem）可应用于材料科学、金属材料、陶瓷材料半导体 材料、化学材料、医药科学以及生物等领域。进行显微形貌分析、成分的常规微区分 析、元素定量、定性成分分析、实时微区成分分析、快速的多元素面扫描和线扫描分 布测量、显微结构分析、空间分辨率亚微米级、晶界的状态测量、晶体/晶粒的相鉴 定、晶体、晶粒取向测量等。 （3） 优点：其强度与原子序数没有明确的关系，而仅对微区表面相对于入射电 子束的位相十分敏感；二次电子像分辨率比较高，特别适用于显示形貌衬度 22。 图 2-4 jeol-6390a型扫描电镜 2.2.5 万能试验机 本次试验中，万能材料试验机是用来进行试样的拉伸试验的（见图 2-5） 。 该试验机具有以下特点： 13 图 2-5 cmt5105 微机控制万能试验机 （1） 高性能的负荷机架。门式力系框架、重量轻、刚度高，高速大载荷下运行平稳； （2） 先进的机械传动机构。传动系统效率高于 70%，传动平稳，噪音低； （3） 用途广泛，功能多。适用于金属、非金属、复合材料的拉伸、压缩、弯曲试验； （4） 具有力、变形、位移三种控制方式，并可有控制过程中进行转换； （5） 具有多种保护功能。如驱动系统过流、整机超载及动横梁位置极限保 护等； 2.2.6 冲击试验机 冲击试验机（见图 2-6）用于测定金属材料在低温动负荷下抵抗冲击的性能。电动 扬摆、冲击，并可利用冲断试样后的剩余能量自动扬摆，做好下次试验准备，工作效 率高。 冲击试验中的冲击载荷，可以由落锤产生，也可以用摆锤产生，常规使用的是摆 锤式冲击试验机。落锤可以产生较大的冲击能量，适用较大尺寸试样。 14 图 2-6 冲击试验机 在常规冲击试验中又分为两种类型：一种是简支梁式的三点弯曲试验，又称为夏 比（charpy）冲击试验；另一种是悬臂梁式冲击弯曲试验，又称为艾佐（izad）冲击试 验。我国使用较普遍的是夏比冲击试验。在本次试验中，采用的是夏比 v 型缺口试 样，进行夏比冲击试验。 2.3 试验方法 2.3.1 热处理工艺 本论文中的试验试样都是经过正火处理过的 ，为了探究不同温度的正火试样的组 织及力学性能之间的变化，我们采用了 5 个不同温度从 750开始每增加 30作为一 个正火温度（见表 2-1 至 2-3） 。正火试样分三大类，第一类用于观察金相组织的，每 一个温度一个试样；第二类用于拉伸试验，观察其不同温度下的拉伸性能，每一个温 度两个试样；第三类用于冲击试验，检测其冲击吸收功，从而计算其冲击韧性确定其 冲击性能级别，每组三个试样。试验时，在所要处理的 5 个温度段，分别将试样置于 设定好的电阻炉内温度误差为 1 到 3。将试样放入炉内后待温度升至设定温度时开始 计时保温，保温时间为 2 小时，然后用火钳取出置于散热板上放在定的电阻炉旁，进 行空冷。这样做的目的是为了降低冷却速率，使奥氏体化尽可能充分，从而获得更接 近平衡组织的材料。x 表示显微组织，l 表示拉伸试样，c 表示冲击试样。 表 2-1 显微组织正火试样 x20 x20 750正火 x21 x21 780正火 x22 x22 810正火 x23 x23 840正火 x24 x24 870正火 表 2-2 正火处理拉伸试样 15 l20-1 l20-2 l20 750正火 l21-1 l21-2 l21 780正火 l22-1 l22-2 l22 810正火 l23-1 l23-2 l23 840正火 l24-1 l24-2 l24 870正火 表 2-3 正火处理冲击试样 c20-1 c20-2 c20-3 c20 750正火 c21-1 c21-2 c21-3 c21 780正火 c22-1 c22-2 c22-3 c22 810正火 c23-1 c23-2 c23-3 c23 840正火 c24-1 c24-2 c24-3 c24 870正火 2.3.2 维氏硬度试验 2.3.2.1 维氏硬度试验原理 维氏硬度试验是用一个相对面夹角为 136的正四棱锥体金钢石压头以规定的试验 力 f 压入试样表面，经保持规定时间后，卸除试验力，测出压痕表面积，维氏硬度值 是试验力 f 与压痕表面积 s 之比，即 hv = f/ s ，其试验原理如图 2-7，2-8 所示 23- 24。 （21） hv维氏硬度值 d两压痕对角线长度 d1 和 d2 的算术平均值，mm。 图 2-7 压痕示意图 图 2-8 试验原理 16 2.3.2.2 维氏硬度的表示方法 维氏硬度表示为 hv，维氏硬度符号 hv 前面的数值为硬度值，后面为试验力值。标 准的试验保持时间为 1015s。如果选用的时间超出这一范围，在力值后面还要注上保 持时间。例如： 600hv30表示采用 294.2n（30kg）的试验力，保持时间 1015s 时得到的硬度值 为 600；600hv30/20表示采用 294.2n（30kg）的试验力，保持时间 20s 时得到的硬 度值为 600。 2.3.2.3 维氏硬度试验的分类和试验力选择 （1）维氏硬度试验按照试验力大小的不同，细分为三种试验，即：维氏硬度试验、 小负荷维氏硬度试验和显微维氏硬度试验。见表 2-4 表 2-4 维氏硬度试验的三种方法 试验力的范围/n 硬度符号 试验名称 f49.03 hv5 维氏硬度试验 1.961f49.03 hv0.2 hv5 小负荷维氏硬度试验 0.09807f1.961 hv0.01hv0.2 显微维氏硬度试验 （2）维氏硬度试验力的选择关系到试验的准确性，因而不可忽视。 见表 2-5 表 2-5 维氏硬度试验力选择参照表 维氏硬度试验 小负荷维氏试验试验 显微维氏硬度试验 硬度符号 试验力/n 硬度符号 试验力/n 硬度符号 试验力/n hv5 49.03 hv0.2 1.961 hv0.01 0.09807 hv10 98.07 hv0.3 2.942 hv0.015 0.1471 hv20 196.1 hv0.5 4.903 hv0.02 0.1961 hv30 294.2 hv1 9.807 hv0.025 0.2452 hv50 490.3 hv2 19.61 hv0.05 0.4903 hv100 980.7 hv3 29.42 hv0.1 0.9807 2.3.2.4 维氏硬度试验的优缺点 （1）维氏硬度试验的优点 1）维氏硬度试验的压痕是正方形，轻廓清晰，对角线测量准确，因此，维氏硬度 试验是常用硬度试验方法中精度最高的，同时它的重复性也很好，这一点比布氏硬度 计优越。 2）维氏硬度试验测量范围宽广，可以测量目前工业上所用到的几乎全部金属材料， 从很软的材料（几个维氏硬度单位）到很硬的材料（3000 个维氏硬度单位）都可测量。 17 3）维氏硬度试验最大的优点在于其硬度值与试验力的大小无关，只要是硬度均匀 的材料，可以任意选择试验力，其硬度值不变。这就相当于在一个很宽广的硬度范围 内具有一个统一的标尺。这一点又比洛氏硬度试验来得优越。 4）维氏硬度试验的试验力可以小到 10gf，压痕非常小，特别适合测试薄小材料。 （2）维氏硬度试验的缺点 维氏硬度试验效率低，要求较高的试验技术，对于试样表面的光洁度要求较高， 通常需要制作专门的试样，操作麻烦费时，通常只在实验室中使用。 （3） 维氏硬度计的应用 维氏硬度试验主要用于材料研究和科学试验方面小负荷维氏硬度试验主要用于测 试小型精密零件的硬度，表面硬化层硬度和有效硬化层深度，镀层的表面 硬度，薄片 材料和细线材的硬度，刀刃附近的硬度，牙科材料的硬度等，由于试验力很小，压痕 也很小，试样外观和使用性能都可以不受影响。显微维氏硬氏试验主 要用于金属学和 金相学研究。用于测定金属组织中各组成相的硬度，用于研究难熔化合物脆性等。显 微维氏硬度试验还用于极小或极薄零件的测试，零件厚度可薄至 3m25-26。 2.3.3 金相试验 （1） 金相试样的制备 第一步：取样 切取中碳钢钢材纵向截面的两种试样进行分析，其尺寸大约为 101010mm； 第二步：磨制 首先对切取的试样用锉刀或粗砂纸进行粗磨。再对粗磨过的试样进行细磨。用由 粗到细的金相砂纸对金相试样进行细磨，手工操作时应注意，向一个方向前进； 第三步：抛光 细磨后用水冲洗试样再进行抛光，抛光时间不宜太长，到划痕完全消失为止。抛 光后试样表面用水冲洗，浸以酒精； 第四步：侵蚀 将上面抛光好的试样用预先配置好的 4%的硝酸酒精溶液侵蚀，侵蚀时间为 510s 。若侵蚀不足则继续侵蚀；但侵蚀过度时，则需重新抛光，再进行侵蚀 24。 （2） 金相图片的拍摄及金相分析 试验方法：依据 gb/t13298-1991、晶粒度 astm e45-2005 和夹杂物 astm e112- 1996，利用 mef4m 金相显微镜及图像分析系统对试样的组织、晶粒度、夹杂物进行检 测，见表 2-6。 2.3.4 材料成分分析 检测试样的成分，需要测试的成分包括 （c， si，mn，p，s，cr，ni，cu，mo，v） 。本次试验采用 arl 4460 直读光谱仪 18 （见图 2-9）测试材料的成分。 图 2-9 arl 4460 直读光谱仪 (1) 光谱仪特点： arl 4460 金属分析仪集当今最新分析技术于一体，它采用了其专利技术电流控制 光源(ccs)和时间解析光谱(trs)技术，并与独具特色的工厂校正曲线和自诊断功能相 结合，将分析技术带入一崭新天地。不但可以进行常规分析，还可最大限度地满足金 属光变分析工作者的各种复杂要求。耐久可靠的结构设计和制造工艺，确保仪器在各 种恶劣环境下都具有卓越的分析性能。 1) 稳定，可靠的硬件； 2) 一流的工厂校正曲线 ； 3) 领先的光谱制造技术 ； 4) 优秀的分析软件； 5) 分析准确度更高，分析速度更快 ； 6) 分析痕量元素和气体元素具有新的突破； 7) 分析范围广泛：适于分析钢铁，铝，铜，镁，锡，铅，锌，贵金属等金属材 料； 8) 对操作人员无特殊要求 。 (2) 工作原理 直读光谱仪又称分光仪。以光电倍增管等光探测器在不同波长位置，测量谱线强 度的装置。其构造由一个入射狭缝，一个色散系统，一个成像系统和一个或多个出射 狭缝组成。以色散元件将辐射源的电磁辐射分离出所需要的波长或波长区域，并在选 定的波长上(或扫描某一波段)进行强度测定。分为单色仪和多色仪两种。 光谱仪是依据不同元素的特征 xr 具有不同的波长这一特点来对检测的 xr 进行分 19 散展谱，实现对微区成分的分析。本次试验是利用 mef3a 金相显微镜和 mef4m 金相 显微镜及图像分析系统在温度为 20，湿度为 60%条件下进行的。其检测结果如表 2- 6 所示。从表中可知材料含碳量为 0.29%，属于中碳钢。 表 2-6 材料成分（%） 元素 碳 c 硅 si 锰 mn 磷 p 硫 s 铬 cr 钼 mo 镍 ni 含量 0.29 0.22 1.42 0.011 0.0041 0.024 0.0032 0.0091 元素 铌 nb 钒 v 钛 ti 铜 cu 硼 b 铝 al 铁 fe 含量 0.001 0.0034 0.0021 0.063 0.0003 0.0036 平衡 2.3.5 拉伸试验 拉伸试验能有效地测定碳钢拉伸时的强度性能指标：屈服应力 和抗拉强度 ；sb 同时测定碳钢拉伸时的塑性性能指标:延伸率 和断面收缩率 ，从而为研究材料的力 学性能奠定理论基础。 2.3.5.1 试验试件 按照国家标准 gb639786金属拉伸试验试样 ，金属拉伸试件的形状随着产品 的品种、规格以及试验目的的不同而分为圆形截面试件、矩形截面试件、异形截面试 件和不经机加工的全截面形状试件四种。我们这里选用的是圆形截面试件。 ldr 图 2-10 圆形截面拉伸试件 如图 2-10 所示，圆形截面试样由平行、过渡和夹持三部分组成。平行部分的试验 段长度 称为试样的标距，一般所说的试件拉伸变形，都是指这一段的变形。按试样的l 标距 与横截面面积 之间的关系，分为比例试样和定标距试样。圆形截面比例试样通a 常取 或 。定标距试样的 与 之间无上述比例关系。过渡部分以圆弧与平行dl10l5la 部分光滑地连接，以保证试样断裂时的断口在平行部分。夹持部分稍大，其形状和尺 寸根据试样大小、材料特性、试验目的以及万能试验机的夹具结构进行设计。 2.3.5.2 实验原理与方法 低碳钢材料的强度指标 、 和塑性性能指标 、 是由拉伸破坏实验来确定的。sb （1）强度性能指标 20 屈服极限 试样在拉伸过程中载荷不增加而试样仍能继续产生变形时的载荷s （即屈服载荷） 除以原始横截面面积 所得的应力值，即f0a （22）0 ss 强度极限 试样在拉断前所承受的最大载荷 除以原始横截面面积 所得的b bf0a 应力值，即 （23）0 baf 低碳钢是具有明显屈服现象的塑性材料，在均匀缓慢的加载过程中，当万能试验机 测力盘上的主动指针发生回转时所指示的最小载荷（下屈服载荷）即为屈服载荷。 试样超过屈服载荷后，再继续缓慢加载直至试样被拉断，万能试验机的从动指针 所指示的最大载荷即为极限载荷。 当载荷达到最大载荷后，主动指针将缓慢退回，此时可以看到，在试样的某一部 位局部变形加快，出现颈缩现象，随后试样很快被拉断。 （2）塑性性能指标 伸长率 拉断后的试样标距部分所增加的长度与原始标距长度的百分比，即 （24）%10l 式中 试件原始标距为 50， 试件拉断后标距长度。0l 1 试样的塑性变形集中产生在颈缩处，并向两边逐渐减小。因此，断口的位置不同， 标距 部分的塑性伸长也不同。若断口在试样的中部，发生严重塑性变形的颈缩段全部l 在标距长度内，标距长度就有较大的塑性伸长量；若断口距标距端很近，则发生严重 塑性变形的颈缩段只有一部分在标距长度内，另一部分在标距长度外，在这种情况下， 标距长度的塑性伸长量就小。因此，断口的位置对所测得的伸长率有影响 27-28。 测量时，两段在断口处应紧密对接，尽量使两段的轴线在一条直线上。若在断口 处形成缝隙，则此缝隙应计入 内（见图 2-11） 。如果断口在标距以外，或者虽在标距1l 之内