李遠(yuǎn)征 ， 畢宗岳 ， 劉清友 ， 韋 奉 ， 張 峰 ， 何石磊

（1.國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721008；3.鋼鐵研究總院，北京 100081）

膨脹管是一種特殊的石油專(zhuān)用管，它是利用機(jī)械拉力或液體壓力在管材內(nèi)部從上到下或從下到上作軸向移動(dòng)，以強(qiáng)行擠壓的方式使膨脹管發(fā)生塑性變形的管材[1]。目前，膨脹管技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于石油套管的修補(bǔ)、尾管懸掛器和砂控等方面[2-3]。與API SPEC 5CT標(biāo)準(zhǔn)中的普通套管相比，膨脹管必須具備較高的變形能力，且膨脹后的力學(xué)性能應(yīng)達(dá)到普通套管水平[4-5]。因此，對(duì)于膨脹管材料，強(qiáng)塑韌性的合理匹配是技術(shù)核心。針對(duì)膨脹管材料，目前國(guó)外采用常規(guī)L80和K55套管[6]，為進(jìn)一步滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)工程需求，殼牌公司又新開(kāi)發(fā)了LSX80套管。許瑞萍等人[7]研究認(rèn)為，LSX80套管材料的膨脹性能不是很好，為此，亟需開(kāi)發(fā)出膨脹性能良好且能夠?qū)崿F(xiàn)其工業(yè)化的可膨脹管材。

雙相鋼因具有屈服強(qiáng)度低、初始加工硬化速率高、強(qiáng)度和延性匹配好等特點(diǎn)，被大量應(yīng)用于汽車(chē)制造等領(lǐng)域。其在軟相鐵素體晶界或晶內(nèi)彌散分布著硬相馬氏體的組織結(jié)構(gòu)[8]，可由低碳鋼或低合金高強(qiáng)度鋼通過(guò)臨界區(qū)處理或控軋控冷而得到[9]。當(dāng)采用不同熱處理工藝時(shí)，所得到硬相含量、形態(tài)和分布均會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響其性能。目前雙相鋼在管材領(lǐng)域的應(yīng)用報(bào)道較少，筆者重點(diǎn)研究了不同臨界區(qū)熱處理工藝對(duì)一種低合金可膨脹管材組織性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分為：w（C）=0.12%~0.18%，w（Si）=0.25%~0.50%，w（Mn）=0.8%~1.2%，w（P）≤0.015%，w（Nb+V+Ti）≤0.15%， w（Als）=0.02%~0.06%，w（S）≤0.005%及少量Cr。采用高爐煉鐵后經(jīng)轉(zhuǎn)爐冶煉及LF+RH精煉，鑄坯連鑄厚度為230 mm。對(duì)試驗(yàn)鋼連鑄坯進(jìn)行再結(jié)晶區(qū)和未再結(jié)晶區(qū)兩階段軋制及軋后控制冷卻，熱軋鋼帶卷取厚度為7.34 mm，寬度為1 550 mm，其金相組織如圖1所示。

圖1 熱軋鋼帶的金相組織

在成品鋼帶上切取φ3 mm×10 mm的熱膨脹試樣，利用Formastor－FⅡ型全自動(dòng)相變儀測(cè)定試驗(yàn)鋼Ac1=715℃，Ac3=845℃。沿鋼帶縱向裁剪尺寸為230 mm×60 mm的條狀試樣，用電阻式加熱爐進(jìn)行熱處理工藝試驗(yàn)，試樣在溫度750℃，780℃，810℃和840℃下保溫10 min后，空冷至500℃立即淬水。熱處理后的試樣按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228―2002要求，在ZWICK 1200E型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上測(cè)量力學(xué)性能。沖擊試樣尺寸為55 mm×10 mm×5 mm， 在 PSW750 Zwick/Roell沖擊試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試吸收能。微觀組織在S－4300掃描電鏡和H－800投射電鏡進(jìn)行觀察和分析，并用Lepera溶液（1%的偏重亞硫酸鈉水溶液和4%苦味酸酒精溶液按體積比1∶1混合）[10-11]進(jìn)行著色腐蝕，采用網(wǎng)格計(jì)點(diǎn)法測(cè)量鋼中馬氏體/奧氏體體積分?jǐn)?shù)。試樣經(jīng)磨、拋后用10%的鉻酸電解去應(yīng)力，然后在PHILIPS APD－10X射線衍射儀得到衍射圖譜如圖2所示。

根據(jù)鐵素體和奧氏體的衍射積分強(qiáng)度計(jì)算不同熱處理工藝條件下試樣的殘余奧氏體的體積分?jǐn)?shù)[12-13]，計(jì)算公式為

式中：Vγ―試樣中殘余奧氏體的體積分?jǐn)?shù)；

Iα―鐵素體（200）α 和（211）α 衍射峰積分強(qiáng)度的平均值；

Iγ―殘余奧氏體（200）γ， （ 220）γ 和（311）γ衍射峰積分強(qiáng)度的平均值。

圖2 殘余奧氏體X射線衍射圖譜

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

圖3為不同溫度加熱保溫10 min后，試驗(yàn)鋼經(jīng)Lepera溶液浸蝕后的微觀形貌。從圖3中可以看出，顯微組織由M/A、鐵素體及貝氏體組成，其中M/A組織呈現(xiàn)白亮色。隨著加熱溫度的升高，鐵素體含量減少，M/A組織體積分?jǐn)?shù)增多，尺寸增大。當(dāng)加熱溫度達(dá)到750℃（較低）時(shí)，M/A組織尺寸有大有小，大的約24 μm，小的尺寸在1 μm以下，形狀極不規(guī)則；當(dāng)加熱溫度進(jìn)一步升高，M/A組織含量明顯增多，分布也更加彌散，部分M/A相互連接呈條帶狀；當(dāng)加熱溫度為840℃時(shí)，M/A聚集長(zhǎng)大，部分M/A呈塊狀。

掃描電子顯微鏡下的組織形貌如圖4所示。可以看出，750℃加熱保溫10 min處理后，M/A主要分布在鐵素體晶界處，并伴隨有少量的滲碳體顆粒，部分鐵素體呈長(zhǎng)條狀，這是由于加熱溫度較低，奧氏體形核后向鐵素體長(zhǎng)大速率較慢，最終導(dǎo)致原始鋼帶中的形變鐵素體得以保留；840℃加熱處理后，組織中的鐵素體呈等軸狀，幾乎無(wú)滲碳體顆粒，而M/A組織的浮突效應(yīng)比較明顯，具有清晰的亮白邊圈，尺寸增大。

圖3 不同溫度加熱保溫10 min后，試驗(yàn)鋼經(jīng)Lepera溶液浸蝕后的微觀形貌

圖4 不同溫度加熱保溫10 min后，試驗(yàn)鋼經(jīng)Lepera溶液浸蝕后的組織形貌（SEM）

圖5為不同熱處理?xiàng)l件下M/A組織體積分?jǐn)?shù)及殘余奧氏體含量。從圖5可以看出，隨加熱溫度的升高，M/A組織體積分?jǐn)?shù)增加，殘余奧氏體含量減少；當(dāng)加熱溫度為750℃時(shí)，組織中含有11.4%的M/A，6.71%的殘余奧氏體；而當(dāng)加熱溫度為840℃時(shí)，組織中的M/A體積分?jǐn)?shù)高達(dá)48.7%，但是殘余奧氏體含量?jī)H有2.96%。這是因?yàn)榧訜釡囟葹?50℃時(shí)（較低），α相逆轉(zhuǎn)變?yōu)棣孟嗟臄?shù)量較少，而且C在鐵素體中的固溶度較低，多余的C被排除到少量的奧氏體中，顯著提高了奧氏體的穩(wěn)定性，在較低溫度發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，穩(wěn)定性更高的奧氏體被保留下來(lái)，進(jìn)而導(dǎo)致M/A組織的生成且其中的奧氏體比例較高；隨著加熱溫度的升高，奧氏體化程度的增強(qiáng)，C在奧氏體中的保留量逐漸降低，奧氏體的穩(wěn)定性也逐漸降低，最終導(dǎo)致M/A組織中的兩相比例也發(fā)生變化。

圖5 不同熱處理?xiàng)l件下M/A組織體積分?jǐn)?shù)及殘余奧氏體含量

2.2 力學(xué)性能

不同溫度加熱保溫10 min后試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能如圖6所示。從圖6可以看出，隨著加熱溫度的升高，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度呈先增后減的趨勢(shì)，且在780℃附近出現(xiàn)了極大值，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為604 MPa和912 MPa，與此對(duì)應(yīng)，試驗(yàn)鋼的屈強(qiáng)比明顯降低，從0.75降低至0.59。從圖6還可以看出，試驗(yàn)鋼的沖擊功值隨著加熱溫度的升高不斷降低，而均勻延伸率和加工硬化指數(shù)（n）呈單調(diào)遞增的趨勢(shì)。當(dāng)臨界區(qū)熱處理溫度高于780℃時(shí)，試驗(yàn)鋼的均勻延伸率均大于10%。

圖6 不同加熱溫度處理后試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能

3 討 論

膨脹管材的組織應(yīng)是由F，B和M/A組織組成的復(fù)相組織，除成分因素外，微觀組織和性能主要取決于原始鋼帶的初始組織及后續(xù)熱處理工藝。由于雙相鋼是在柔軟的鐵素體基體上彌散分布著一定數(shù)量的硬相，利用臨界區(qū)加熱及快速冷卻來(lái)得到相應(yīng)的組織。M/A組織屬于硬相，其形成是在冷卻過(guò)程中，C在尚未轉(zhuǎn)變奧氏體中的富集，提高了奧氏體的穩(wěn)定性，在較低溫度奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，而少量穩(wěn)定性更高的奧氏體被保留下來(lái)，形成M/A組織。臨界區(qū)加熱溫度升高，奧氏體穩(wěn)定性降低，空冷過(guò)程中的奧氏體分解及X射線衍射儀所引起的誤差必然會(huì)給較高溫度下組織中是否含有殘余奧氏體帶來(lái)疑問(wèn)，為此利用TEM對(duì)810℃熱處理試樣進(jìn)行觀察分析（見(jiàn)圖7），可以看出，組織中含有馬氏體和殘余奧氏體且M/A組織呈黑色的塊狀或島狀，形狀極不規(guī)則且尺寸偏大，這將會(huì)引起材料韌性的惡化[14]。當(dāng)加熱溫度升高至840℃時(shí)，奧氏體幾乎全部轉(zhuǎn)化為馬氏體組織，僅有極少量的奧氏體被保留下來(lái)，此時(shí)組織粗大，接近鐵素體+馬氏體雙相組織，另外由于馬氏體相變時(shí)的體積膨脹對(duì)周?chē)蔫F素體的壓應(yīng)力產(chǎn)生大量的可動(dòng)位錯(cuò)，在應(yīng)力作用下這些可動(dòng)位錯(cuò)很容易沿滑移面運(yùn)動(dòng)，從而降低了鋼的屈服點(diǎn)[15]，兩者共同作用使得材料強(qiáng)度降低。因此，合理控制膨脹管組織中的M/A組織形態(tài)、數(shù)量、大小及殘余奧氏體含量，對(duì)其綜合性能有重要意義。

綜合分析，臨界區(qū)加熱溫度為780~810℃時(shí)，試驗(yàn)鋼組織中的M/A組織含量在25%左右，殘余奧氏體含量在5%左右，同時(shí)試驗(yàn)鋼具有較低的屈強(qiáng)比、高的加工硬化能力及一定的韌性，能夠滿(mǎn)足552 MPa（80 ksi）鋼級(jí)膨脹管的性能要求。

圖7 透射電鏡照片

4 結(jié) 論

（1）不同工藝條件下的試驗(yàn)鋼組織類(lèi)型基本相同，主要由鐵素體、貝氏體及M/A組織組成。

（2）臨界區(qū)熱處理工藝影響試樣最終的M/A組織體積分?jǐn)?shù)及殘余奧氏體含量，在750℃處理時(shí)可得到體積分?jǐn)?shù)11.4%的M/A組織，其中殘余奧氏體含量為6.71%，比其余3個(gè)溫度處理時(shí)高。

（3）在750~840℃進(jìn)行熱處理時(shí)，隨著加熱溫度的升高，試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均先增后減，屈強(qiáng)比和沖擊韌性不斷降低，均勻延伸率和n不斷升高。

［1］賀飛，尚成嘉，袁勝福，等.膨脹管用鋼的熱處理工藝與擴(kuò)徑性能［J］.材料熱處理學(xué)報(bào)，2012，33（增刊）：37-41.

［2］馬海濤，林覺(jué)振，王海濤，等．應(yīng)用于套管補(bǔ)貼的膨脹管技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2005，27（01）：70-71.

［3］ Cales G L.The Development and Applications of Solid Expandable Tubular Technology［J］.Petroleum Society of Canada，2003（03）：136-147.

［4］李鶴林.油井管發(fā)展動(dòng)向及若干熱點(diǎn)問(wèn)題（下）［J］.鋼管，2006，35（01）：1-6.

［5］許瑞萍.可膨脹管材料的研究與開(kāi)發(fā)［D］.天津：天津大學(xué)，2006：2-13.

［6］李霄，豆峰，裴勇毅，等.可膨脹管技術(shù)及其管材性能［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2005，34（04）：61-63.

［7］許瑞萍，劉潔，張玉新，等.石油膨脹管材料的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則［J］.石油機(jī)械，2005，33（11）：28-31.

［8］ ROCHA R O，MELO T M F，PERELOMA E V，et al.Microstructure Evolution at the Initial Stages of Continuous Annealing of Cold Rolled Dual-phase Steel［J］.Materials Science and Engineering A，2005（391）：296-304.

［9］馬鳴圖，吳寶榕.雙相鋼—物理和力學(xué)冶金［M］.第2版.北京：冶金工業(yè)出版社，2009.

［10］李鶴林，郭生武，馮耀榮，等.高強(qiáng)度微合金管線鋼顯微組織分析與鑒別圖譜［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2001.

［11］張亞江，劉青友，賈書(shū)君，等.熱處理工藝對(duì)低碳Si-Mn系 TRIP鋼組織和性能的影響 ［J］.熱加工工藝，2011，40（12）：166-170.

［12］ LEE Changgil，KIM Sungjoon，LEE Taeho，et al.Effects of Volume Fraction and Stability of Retained Austenite on Formability in 0.1C －1.55Si－1.5Mn －0.5Cu TRIP-aided Cold-rolled Steel Sheet ［J］.Materials Science and Engineering，2004，371（1-2）：16-23.

［13］ JING Cainian，WANG Zuocheng，HAN Futao.Research Progress of the Influencing Factors on Transformation Induced Plasticity ［J］.Metal Heat Treatment，2005，30（20）：26-30.

［14］楊景紅，劉清友，孫冬柏，等.軋制工藝對(duì)微合金管線鋼組織及M/A島的影響［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31（02）：180-185.

［15］鄧照軍，劉靜，王 輝，等.退火溫度對(duì)高鋁雙相鋼微觀組織的影響［J］.材料熱處理學(xué)報(bào)，2011，32（03）：111-114.