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石油钻杆用耐药铝合金的组织和性能研究

王恒  
【摘要】:铝合金钻杆与传统钢钻杆比较,具有比强度高、抗疲劳性能好、耐蚀等优势。随着地热工业的发展,对提高钻深以及钻杆耐热性的要求愈加强烈,Al-Cu-Mg系合金钻杆极具潜力。 通过硬度、拉伸测试、DSC、金相、TEM和SEM等分析手段,系统地研究了2D12、2A12合金的形变热处理工艺对力学性能和组织热稳定性的影响,得出以下结论: 预变形抑制原子团簇的形成,极大地促进S相的非平衡析出。大量弥散的S相阻碍滑移系的开动,显著延迟合金进入屈服阶段。随着温度的提高,滑移系开动所需能量降低,T6和T8合金的屈服强度差距缩小。经过4%预变形后,160℃时效的2D12合金峰值抗拉强度和屈服强度分别提高23MPa和138MPa;190℃时效则分别提高15MPa和152MPa。在150℃和200℃的高温拉伸测试中,4%预变形使合金的屈服强度分别提高103MPa和66MPa。 预变形使S相更加弥散细小,均匀性更好,不易粗化。同时,预变形引入的大量位错已诱导溶质更充分地析出,使析出相粗化所需的溶质供给条件较难满足,S相粗化不如T6合金中明显。针对2D12合金,200℃热暴露500h后,T8试样保留85%的抗拉强度,T6试样只保留了77%的抗拉强度。针对2A12合金,200℃热暴露500h后,T8试样保留77%的抗拉强度,T6试样只保留了71%的抗拉强度。120℃热暴露500h后2A12合金力学性能全面提升,160℃C和200℃则导致性能降低。 2A12合金棒材的轴向疲劳寿命随应力水平的提高而降低。预变形处理提高合金350MPa应力水平以下的疲劳寿命。在较高应力水平如420MPa,T6和T8试样的轴向疲劳寿命相近(105左右)。在较低应力水平如280MPa,T8试样的轴向疲劳寿命较高。在107应力循环周次条件下,预变形试样的疲劳强度约为280MPa,而无预变形试样则约为220MPa。 Al-4.2Cu-1.5Mg(wt.%)合金综合力学性能较好,而Al-4.9Cu-1.8Mg(wt.%)合金则因高强度低韧性,不具备长期热服役能力。Zr元素通过阻碍溶质原子扩散降低合金时效峰值强度,但是提高热暴露之后的剩余强度,对提高合金的长期热服役能力有利。


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