γ+α两相区热处理对膨胀管材组织性能的影响

　　0 前 言

　　随着油气资源的不断开采，油田开发的环境和地质条件更加复杂，单井开发成本也在不断增加。作为一项降低井筒成本、提高开采效率的新技术—可膨胀管技术(expendable tube technology)，正在得到迅速开发和应用，并在钻井、固井、修井和套管补贴等方面表现出很好的优势，被称为“21 世纪石油钻采行业的核心技术”之一[1]。可膨胀管在材料性能上主要表现为优良的塑形变形能力和强度，既要求有较好的均匀延伸率和加工硬化指数，有要求膨胀完成后管材具有足够的强度、良好的冲击韧性，且综合性能满足API标准要求;同时，要求管材圆度好、壁厚均匀、残余应力小、性能均匀。在可膨胀管材开发过程中，目前国内主要采用了无缝管坯，由于无缝管制造工艺带来的管坯几何精度差，性能不够均匀， 使得膨胀变形后管材性能不一致。因此，国外普遍采用 HFW焊管经过热处理后作为膨胀管管坯。文献[2]指出，HFW焊管用作膨胀管比无缝管更具有优势。在材料方面，以前曾普遍采用常规套管材料(如L-80，K-55，P-110)、管线钢和特种材料(如35Cr-Mo 耐热钢和低温钢等)[3]作为可膨胀管材料， 但塑性较小。马建民等[4]经进一步研究和优化，期望低碳双相合金钢成为可膨胀管的制造材料。笔者重点研究了0.21C-1.39Mn-0.19Si微合金钢在不同加热温度下微观组织和力学性能的变化规律，为可膨胀管生产时工艺制度的制定提供一定的理论依据。

　　1 试验方法

　　试验材料为0.21C-1.39Mn-0.19Si低碳微合金钢，钢板厚度为6.2mm，化学成分见表1。使用Thermol-Calc软件计算出试验钢的平衡转变温度A1为700℃，用L78RITA(Linseis)热膨胀仪测出试验钢的Ac3为832℃。试样在热处理炉中分别经730℃，760℃，790℃和820℃加热，保温30min后立即水淬至室温，随后进行630℃回火处理。热处理后的试验钢板加工成L0=50mm，b=12.7mm 的拉伸试样，在ZWICK 1200E型电子万能试验机上测量力学性能。 冲击试样采用半尺寸(10.0 mm×5.0mm)，在PSW750 Zwick/Roell冲击试验机上测试吸收能。取金相试样研磨， 抛光后用4%的硝酸酒精侵蚀，利用Olympus-PMG3型光学显微镜及S-3700N扫描电镜分析不同工艺条件下的试样组织形貌，并借助图像分析软件测量铁素体晶粒尺寸。

　　2 试验结果分析

　　2.1 光学显微组织

　　试验钢的初始组织及经γ+α两相区热处理后的组织形貌如图1所示。侵蚀剂为4%硝酸酒精溶液，经腐蚀后铁素体呈白色。可以看出，初始组态钢的显微组织由铁素体和珠光体组成(图1(a))。在4种工艺条件下试样随着加热温度的不同，铁素体体积分数和晶粒尺寸均发生变化，且碳化物的分布也不同。在730℃加热时，试样具有明显的带状特征，且铁素体晶粒尺寸较大 约10.5μm，体积分数为72.4%(图1(b))。当加热温度升至760℃时， 带状组织有了一定的改善，铁素体晶粒呈等轴状，平均尺寸有所减小，约7.2μm，同时铁素体晶界处分布着大量细小的黑色碳化物(图1(c))。当加热温度进一步升高至790℃时，带状组织明显改善，铁素体晶粒平均尺寸约6.9μm(图1(d))，黑色碳化物分布更加弥散。这是因为当加热温度进入γ+α两相区时，珠光体溶解后释放的碳原子会在钢中扩散，铁素体晶界是碳原子扩散的通道，当碳扩散到铁素体晶界的高碳微区时会形成奥氏体晶核，奥氏体形核后便开始长大[5]，随着加热温度的升高，钢中奥氏体含量增加，在随后的快冷中形成岛状相的体积分数增加[6]， 经高温回火后，形成了弥散相。当加热温度达到820℃时，渗碳体颗粒数量明显增多，形成了回火索氏体组织(图1(e))。