42mnmo7鋼熱軋狀態(tài)組織不良分析

42mnmo7鋼熱軋狀態(tài)組織不良分析

2000年前，中國使用的大多數(shù)n80鋼級油氣管（包括管道和套筒）都是42m-mr7管道。為了滿足油壓機(jī)的使用要求，作者測量了42nmmo7鋼在不同條件下的性能，并重點分析了不同條件下的性能特征。142mnmo7鋼的物理和化學(xué)性質(zhì)性能1.1物理分化某廠生產(chǎn)的N80油井管的材料為42MnMo7鋼,其化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))見表1。1.2標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)試驗從某廠生產(chǎn)的N80油井管調(diào)質(zhì)和熱軋狀態(tài)下隨機(jī)取樣按APISPEC5CT及ASTMA370標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行試驗,結(jié)果見表2。由表2可見,油管和接箍料管的拉伸性能基本符合APISPEC5CT的要求,但強(qiáng)度偏高,伸長率較低。并且各指標(biāo)的分布范圍較寬,波動幅度較大。1.3韌脆轉(zhuǎn)變溫度nmo7試驗從油管上沿縱向加工出尺寸為7.5mm×10mm×55mm的試樣3根,從接箍料沿縱向加工出尺寸為10mm×10mm×55mm的試樣3根,按ASTME23的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行室溫(0℃)的夏比V型沖擊試驗,測量夏比沖擊功(Akv),并由纖維狀斷口面積百分比(SA)測定材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度(50%FATT,即Tk),結(jié)果見表3。對照實際斷口求出結(jié)晶狀斷口約50%面積的溫度記為50%FATT(FractureAppearanceTransitionTemperature)為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。它所反映的是試樣斷裂過程中裂紋擴(kuò)展變化的特征,可定性評定材料在裂紋擴(kuò)展過程中吸收能量的能力。一般材料實際使用溫度T0與韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tk之差稱為溫度儲備ΔT。ΔT越大,即Tk越小,材料越安全,性能越好。按API5CTSR16要求,對0℃管體縱向10mm×10mm×55mm試樣要求:CVN=S(0.00236t+0.02518)或27J,取其中較大值(式中CVN為API5CT標(biāo)準(zhǔn)中的無強(qiáng)制沖擊要求值,與試驗溫度和試樣尺寸有關(guān);S為被測產(chǎn)品鋼級的規(guī)定最大屈服強(qiáng)度,N80鋼級為758MPa;t為由接箍規(guī)定尺寸確定的臨界壁厚,mm)。表3中油管所列數(shù)據(jù)為對5mm×10mm×55mm試樣換算的要求值為27J×0.55=14.85J≈15J,其中的0.55為API5CT的附加要求SR16.3規(guī)定的吸收能(沖擊功)遞減系數(shù)。所以API5CTSR16要求(0℃):油管的沖擊值應(yīng)≥15J,接箍料管的沖擊值應(yīng)≥41J。從試驗結(jié)果可以看出,油管和接箍料管在熱軋狀態(tài)的沖擊韌度很低,所有的試驗斷口基本上是全結(jié)晶狀形態(tài),微觀形貌為解理+準(zhǔn)解理,說明斷口的韌脆轉(zhuǎn)變溫度在室溫之上,從多次取樣的檢驗結(jié)果來看,在熱軋狀態(tài)下材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度一般在50～80℃,油管和接箍料管在室溫下已處于脆性狀態(tài)。而調(diào)質(zhì)狀態(tài)下的韌脆轉(zhuǎn)變溫度在0℃以下。42MnMo7鋼的室溫沖擊功較低,試樣斷口的宏觀形貌斷口齊平,以結(jié)晶狀形貌為主。對斷口進(jìn)行掃描電鏡觀察,結(jié)晶區(qū)形貌以準(zhǔn)解理為主。1.4鋼管及接再接收管晶粒42MnMo7鋼的油管和接箍料管在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下的顯微組織是回火索氏體+珠光體+鐵素體,晶粒度是8～10級,如圖1a所示。而在熱軋狀態(tài)下,油管的晶粒度是7級,組織是貝氏體+珠光體+鐵素體(少量),如圖1b所示。鋼管及接箍料管晶粒粗大且分布不均勻,在3～5級,見圖1c。金相觀察結(jié)果表明,各試樣顯微組織均以粗大的上貝氏體為主,并且伴有少量珠光體和條帶狀分布的淬火馬氏體,見圖1d。在一些試樣上,還發(fā)現(xiàn)有明顯的魏氏體,見圖1e。所有試樣觀察均發(fā)現(xiàn),上貝氏體條束或魏氏體組織中的鐵素體條束幾乎貫穿整個晶粒,并且在所有試樣中均觀察到馬氏體。通過以上分析發(fā)現(xiàn),42MnMo7鋼熱軋狀態(tài)下的油管和接箍料管,雖然其化學(xué)成分、冶金質(zhì)量及拉伸性能符合APISPEC5CT要求,但其韌性差,拉伸和沖擊斷口脆性很大,顯微組織均為粗大的上貝氏體、魏氏體組織及馬氏體及少量的珠光體等組成的混合組織,見圖1f。2分析與討論2.14顯微組織分析通過測定,42MnMo7鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變(CCT)曲線見圖2。根據(jù)Steven和Haynes公式,馬氏體轉(zhuǎn)變點溫度MS可用下式表示:MS=561?474WC?33WMn?17WNi?17WCr?21WMo(1)ΜS=561-474WC-33WΜn-17WΝi-17WCr-21WΜo(1)式中WC,WMn,WNi,WCr,WMo分別表示合金元素的質(zhì)量百分比。42MnMo7鋼中含有0.15%的鉬,鉬在鋼中可以明顯地推遲珠光體轉(zhuǎn)變,同時碳含量較高,所以其馬氏體轉(zhuǎn)變溫度也降低,低于300℃。從CCT曲線可以看出,42MnMo7鋼的AC3,AC1和MS分別為770,712和274℃,該鋼在冷速>0.3℃/s,就發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變,在空冷條件下(冷速約0.5℃/s),絕大多數(shù)奧氏體將轉(zhuǎn)變成上貝氏體組織;如果冷速很慢,首先發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變,在鋼材過熱時,轉(zhuǎn)變的珠光體具有魏氏體的特征;在冷速較快時發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。所以,在實際生產(chǎn)中往往形成以貝氏體為主+鐵素體+珠光體+魏氏組織+馬氏體的混合組織。從顯微組織分析來看,熱軋狀態(tài)下42MnMo7鋼的組織主要為粗大的上貝氏體、珠光體、鐵素體、魏氏體組織及連續(xù)分布的淬火馬氏體條帶。這些組織一般是混晶組織,晶粒粗大,強(qiáng)度很高但韌性低,韌脆轉(zhuǎn)變溫度高。2.2顯微組織分析由以上可以發(fā)現(xiàn),用42MnMo7鋼生產(chǎn)的油管和接箍料管在熱軋狀態(tài)下,屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度比API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限值高,而伸長率只比標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限值稍大一點,富余量較少,說明材料的塑性不良。沖擊功只在10～20J的范圍內(nèi),達(dá)不到API5CTSR16要求,韌性較差。所以,熱軋42MnMo7鋼油井管的低韌性是由其熱軋組織的特點決定的。通過對42MnMo7鋼的奧氏體CCT曲線分析可以看出,該鋼種是一種具有明顯貝氏體轉(zhuǎn)變的中碳錳鉬鋼。在熱軋狀態(tài)下的連續(xù)冷卻過程中,鋼材的冷卻速度較慢,首先發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變,在鋼材過熱的情況下,轉(zhuǎn)變后的珠光體具有魏氏體組織特征,隨后奧氏體發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變,最后剩余奧氏體發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變,形成鐵素體+珠光體組織(魏氏體組織)+上貝氏體+馬氏體的混合組織;而在冷速稍快時,不發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變,而形成上貝氏體+馬氏體的混合組織。從顯微組織分析結(jié)果來看,熱軋狀態(tài)下42MnMo7鋼的組織主要為粗大的上貝氏體、珠光體、鐵素體、魏氏體組織及連續(xù)分布的淬火馬氏體條帶,晶粒粗大。粗大的上貝氏體和魏氏體組織是降低韌性的,而未經(jīng)回火的馬氏體組織,使材料存在較高的殘余應(yīng)力,加大了材料的低韌性。通過以上分析表明,熱軋態(tài)的42MnMo7鋼油管的性能差不是由于鋼材的冶金缺陷或軋制缺陷造成的,而是由材料組織決定的。熱軋狀態(tài)42MnMo7鋼油管的材料韌性很低,3/4CVN試樣的室溫平均沖擊功僅13J左右,低的只有3～5J,沖擊斷口基本上為全脆性斷口,與調(diào)質(zhì)狀態(tài)下相比,沖擊功相差6～10倍,斷口韌脆轉(zhuǎn)變溫度相差100℃左右。2.34管體縱向10mm10mm65mm試樣熱軋42MnMo7鋼油管或接箍料管的韌性差的主要原因是存在不良組織,且組織不均勻,晶粒度粗大,另一方面馬氏體組織為不穩(wěn)定組織。所以為了提高材料的韌性,應(yīng)對其進(jìn)行軋后熱處理,熱處理工藝包括正火、正火+回火或調(diào)質(zhì)處理,各種熱處理的性能見表4。按API5CTSR16要求,對0℃管體縱向10mm×10mm×55mm試樣要求:CVN=S(0.00236t+0.02518)或27J,取其中較大值,表中油管所列數(shù)據(jù)為對5mm×10mm×55mm試樣換算的要求值為:27J×0.55=14.85J≈15J。從表中可以看出,在正火狀態(tài)下,油管的強(qiáng)度基本不變,而韌性稍有提高;在采用正火+回火時(870℃正火,保溫20min,回火610℃,保溫2h),沖擊韌性(0℃)Ask達(dá)到20J左右,符合API5CTSR16要求,但屈服強(qiáng)度下降較多,只能達(dá)到560～580MPa;在560℃保溫1h回火的情況下,油管的強(qiáng)度有所下降,韌性得以提高。對于42MnMo7鋼接箍料管無論是在正火、正火+回火或回火狀態(tài)都不能滿足API5CT要求,在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下油管和接箍料的強(qiáng)度適中,沖擊功則都高于標(biāo)準(zhǔn)兩倍甚至更高,具有較好的強(qiáng)韌性。3連接劑為84mmo7鋼的連接(1)42MnMo7鋼油管和接箍料管的熱軋狀態(tài)組織為粗大的上貝氏體、魏氏體、馬氏體和珠光體,所以其強(qiáng)度較高、沖擊功較低、韌脆轉(zhuǎn)變溫度較高。(2)42MnMo7鋼油管和接箍料管在熱軋狀態(tài)下組織是由鋼種本身成分決定的,該