在低溫環(huán)境中使用的油井管,不僅要求具有很高的強度,而且需要具有良好的低溫沖擊韌性。現(xiàn)有低溫油井管選材中往往添加較高的Ni含量,成本較高。為了降低成本,提升性能,本文針對自主設(shè)計的系列Ni含量的低溫油井管用鋼進(jìn)行不同熱處理,采用熱膨脹儀、光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、拉伸試驗機(jī)等系統(tǒng)分析了熱處理工藝對微觀組織和力學(xué)性能的影響,并進(jìn)行了熱處理工藝的優(yōu)化。本文主要研究工作和結(jié)論如下:(1)通過熱力學(xué)計算與動力學(xué)分析,研究了熱力學(xué)平衡條件下和連續(xù)冷卻過程中LS鋼中相變和組織演變規(guī)律。結(jié)果表明:Ni含量對析出相和組織演變均具有一定影響,隨著Ni含量的增加,M_7C_3開始析出溫度逐漸降低,M_(23)C_6的析出溫度區(qū)間逐漸增大;同時,隨著Ni含量的增加,奧氏體化溫度降低,發(fā)生馬氏體、貝氏體和珠光體轉(zhuǎn)變的臨界冷速減小。(2)通過改變淬火和回火溫度,研究了熱處理工藝對LS鋼組織性能的影響。結(jié)果表明,在880℃淬火時,LS鋼能夠得到完全馬氏體組織,平均晶粒尺寸較小,回火后具有良好的強韌性匹配;在200℃~750℃回火時,隨著溫度的升高,LS鋼中的回火碳化物析出量不斷增大,并且伴隨有聚集長大的現(xiàn)象;隨著溫度的升高,室溫強度整體呈現(xiàn)降低趨勢,低溫沖擊功先增大后減小,并且存在600℃以上回火時出現(xiàn)回火脆性現(xiàn)象。根據(jù)淬火和回火溫度對LS鋼組織性能的影響規(guī)律,確定其較佳低溫油井管用鋼為LS2鋼,相應(yīng)的較佳熱處理工藝為880℃淬火+600℃回火,經(jīng)熱處理后鋼的低溫沖擊功為36.37 J,屈服強度與抗拉強度分別為726.7 MPa、843 MPa,滿足廠家的性能要求。(3)通過分析不同Ni含量下LS鋼的微觀組織及拉伸沖擊性能,研究了Ni元素對LS鋼組織性能的影響。結(jié)果顯示,隨著Ni含量的增加,LS鋼的原奧氏體晶粒尺寸變化幅度較小,回火碳化物析出量增大。隨著Ni含量的增大,LS鋼的強度呈上升趨勢。-45℃低溫沖擊功先增大后出現(xiàn)降低趨勢。當(dāng)Ni含量為0.022wt.%時,LS鋼的韌脆韌脆轉(zhuǎn)變溫度最低,約為-20℃,隨著Ni含量的增大,韌脆轉(zhuǎn)變溫度不斷增大,在Ni含量為1.97wt.%時達(dá)到最大值8℃,隨著Ni含量進(jìn)一步增大為2.99wt.%時,韌脆轉(zhuǎn)變溫度又降低至-14℃。
【學(xué)位單位】：河南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG142;TE931.2
【部分圖文】：

圖 2-1 實驗用 LS 鋼的鑄錠和鍛棒照片F(xiàn)ig.2-1 The ingots and forged bars of the LS steel with different Ni content(a) ingot with riser; (b) ingot without riser; (c) forged long rods利用線切割試驗機(jī)將熱膨脹試樣沿徑向從中間切開，使用酚醛樹脂熱 研 磨 拋 光 后 ， 采 用 4% 硝 酸 酒 精 溶 液 浸 蝕 顯 示 金 相 組 織 。vert200MAT 光學(xué)金相顯微鏡（OM）和 Quanta600 掃描電鏡觀察不同顯微組織。使用Leco AMH43全自動顯微硬度計測量試樣的維氏硬度值載荷為 500 ｇ，保壓時間為 15 s。熱處理工藝的制定實驗用 LS 鋼的初始狀態(tài)均為鍛態(tài)，為了消除殘余應(yīng)力以及鍛造缺陷尺寸的穩(wěn)定性，防止試樣的變形和開裂，首先對試塊進(jìn)行 1050 ℃保正火處理。為了研究熱處理工藝對 LS 鋼組織性能的影響，本文通溫度和回火溫度進(jìn)行熱處理工藝設(shè)計，如表 2-2 所示。具體為：（Ⅰ）在 ℃、880 ℃、920 ℃、960 ℃和 1000 ℃保溫 2 h 后以水冷的方式冷

拉伸試樣圖紙如圖2-2 所示，試樣的平行段長度為 25 mm，直徑為 5 mm。拉伸實驗在 AG-100KNG拉伸試驗機(jī)上進(jìn)行，實驗溫度為 25 ℃，每組試驗測試三個平行試樣，取其平均值。低溫沖擊試驗按照 GB/T229-2007 進(jìn)行，沖擊試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，缺口類型為 V 型，如圖 2-3 所示。低溫沖擊性能測試在SANS-ZBC2452-C 沖擊試驗機(jī)上進(jìn)行

圖 2-3 標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣示意圖（單位 mm）Fig.2-3 The schematic diagram of standard impact specimen (unit mm)2.5 微觀分析將熱處理后的 LS 鋼試樣依次采用 150#、400#、600#、800#、1200#、2000#砂紙進(jìn)行打磨，然后采用金剛石拋光膏進(jìn)行拋光處理，直至表面無劃痕，利用和酒精沖洗后吹干。采用體積分?jǐn)?shù)為 4%的硝酸酒精溶液對拋光后的試樣進(jìn)行蝕，顯示金相組織。借助 Axiovert200MAT 光學(xué)金相顯微鏡（OM）和 Quanta600描電鏡（SEM）觀察 LS 鋼不同熱處理狀態(tài)下的顯微組織。將淬火的試樣進(jìn)行研磨、拋光處理，采用 0.7 g 苦味酸+0.2 g 海鷗牌洗發(fā)膏25 mL 水的混合溶液顯示奧氏體晶界。首先將苦味酸、海鷗牌洗發(fā)膏和水的混溶液煮沸，直至苦味酸和洗發(fā)膏完全溶解，再將溶液冷卻至室溫，呈過飽和狀。然后，過飽和的混合溶液放入 70 ℃的水浴鍋中，5 min 后將拋好的試樣浸溶液，侵蝕 1 min，隨后利用水和酒精沖洗后吹干。借助 Quanta600 掃描電鏡察晶界，利用 SISC-IAS 圖像分析軟件通過截線法測定平均晶粒尺寸。
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2854228