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《燕山大学》 2018年
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C110级油井管钢微观组织、力学性能和抗SSC性能研究

孙宇  
【摘要】:高性能C110级抗硫化物应力开裂(SSC)无缝油井管是支撑严酷腐蚀环境油气资源开发的关键材料。目前对该材料热处理工艺、马氏体微结构与使用性能之间关系的研究还不深入,认识尚不明晰,性能稳定性尚待提升。为此,本文设计制备了C110级抗SSC油井管用28CrMo48VTiB钢,对试验钢进行了890℃淬火+(600~720℃×30~90 min)系列回火处理。针对各样品,采用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)、透射电镜(TEM)和X射线衍射仪(XRD)等方法,对马氏体各微结构进行了表征;测试了拉伸、冲击和硬度等常规力学性能;通过双悬臂梁(DCB)试验,测试了SSC扩展长度Δa~浸泡时间t关系曲线、SSC扩展速率da/dt~瞬时应力强度因子(K_(Iapplied))关系曲线,测定了SSC停止扩展的临界应力强度因子K_(ISSC);采用Devanathan-Stachurski氢渗透试验,分析了氢的扩散行为。通过定量表征马氏体各微结构的强化贡献,揭示了强化机制,通过定量表征马氏体微结构与氢扩散、SSC萌生之间、晶界与SSC扩展之间的关系,揭示了抗SSC机理。据此,开展了高性能C110级抗SSC油井管的工业试制。结果表明:28CrMo48VTiB试验钢经890℃淬火+(600~720℃×30~90 min)系列回火处理,形成了回火马氏体组织。该马氏体由Packet、Block和Lath各级亚结构组成。随回火温度升高及回火时间延长,马氏体Packet/Block/Lath亚结构尺寸增大,大角度晶界比例提高,析出相的体积分数及平均当量直径增大,位错密度降低;试验钢的强度和硬度逐渐降低,冲击功逐渐提高。回火样品的屈服强度与马氏体Packet/Block结构尺寸之间的关系符合Hall-Petch公式,与Lath结构尺寸之间的关系符合Langford–Cohen模型;Lath结构尺寸是控制屈服强度最有效的组织参量,屈服强度主要来自于固溶强化和细晶强化的贡献。回火样品的冲击性能随大角度晶界比例的增加而逐渐提高。28CrMo48VTiB试验钢经890℃淬火+(600~720℃×30~90 min)系列回火处理,随回火温度升高及回火时间延长,K_(ISSC)值增大,抗SSC性能提高。该钢抗SSC的机理是:一方面,大角度晶界的数量因板条合并、宽化和多边形化而减少,位错和固溶原子的数量均减少,使可逆氢陷阱密度降低,可扩散氢浓度C_0及夹杂物周围的局部氢浓度C_σ相应降低,导致SSC孕育期延长,从而有效抑制了SSC在夹杂物处的萌生;另一方面,大角度晶界所占的比例升高,使SSC在单位长度扩展路径上频繁偏转,SSC扩展速率降低且其长度缩短,从而有效阻碍了SSC的扩展。经890℃淬火处理的28CrMo48VTiB试验钢,其优化的回火处理工艺是700℃×60 min回火,相应的屈服强度776 MPa、抗拉强度827 MPa、洛氏硬度25.1HRC、0℃纵向冲击功133 J,K_(ISSC)值为29.02 MPa·m~(0.5),材料力学性能和抗SSC性能均符合C110级抗SSC油井管的设计要求,且富余量充裕。基于上述结果,采用28CrMo48VTiB钢及优化的热处理工艺,成功进行了C110级抗SSC无缝油井管的工业试制,产品冶金质量优异,各项力学性能和抗SSC性能均满足使用要求。
【学位授予单位】:燕山大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TG161;TE931.2

【参考文献】
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