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      R780鋼管鍛造后的力學性能分析

      2017-07-18 12:05:36王洪煒楊宏偉
      地質裝備 2017年3期
      關鍵詞:加厚珠光體塑性變形

      王洪煒,楊宏偉

      (石家莊探礦機械廠,石家莊 050000)

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      R780鋼管鍛造后的力學性能分析

      王洪煒,楊宏偉

      (石家莊探礦機械廠,石家莊 050000)

      對36Mn2V材質的R780鋼級鋼管的管端進行鍛造加厚后再經(jīng)正火處理,取樣做力學性能試驗,發(fā)現(xiàn)強度不符合要求;取端部鍛造加厚未經(jīng)正火處理的試樣做力學性能試驗,發(fā)現(xiàn)強度雖符合要求,但韌性較低。通過分析實際生產(chǎn)中鍛造鋼管的金相組織,說明提高鋼管鍛造強度的因素主要是:一是形變強化,二是在奧氏體狀態(tài)下進行塑性變形,增大了珠光體的相變成核率[1]。這說明只要能夠進行合理的鍛造工藝,不僅可以提高材料的強度,還能提高其韌性。

      鋼管;鉆桿;鍛造;力學性能;強度;韌性

      1 引言

      經(jīng)過鍛造的鋼材制品在生產(chǎn)中能夠獲得廣泛的應用是由于鍛造加工時鋼材產(chǎn)生塑性變形,滿足一定條件時可以獲得較細的晶粒,并可使力學性能得到提高。高溫時鍛造產(chǎn)生的塑形變形對相變產(chǎn)生影響,在這種情況下獲得的金相組織又影響力學性能。在大應力作用下,奧氏體經(jīng)變形,在連續(xù)冷卻轉變過程中產(chǎn)生珠光體相變(CCT曲線)的研究,在實際生產(chǎn)中具有重要意義。由于目前缺少資料,從生產(chǎn)實踐中觀察鍛造后的組織形態(tài),來說明塑性變形在連續(xù)冷卻時,奧氏體向鐵素體和珠光體組織轉變的影響。

      R780鋼級的鋼管,常被用于地質鉆桿。其力學性能要求Rm≥780 MPa,Rt0.5≥520 MPa,A≥15%。雖然沒有對韌性提出明確要求,但在實際工作中,因韌性低,發(fā)生脆性斷裂的事件也不少見,因此韌性也不能太低。

      本文通過力學性能試驗,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過鍛造加厚過的鋼管空冷后,又經(jīng)過正火處理的試樣,其鍛造加厚部位強度不能滿足R780鋼級的要求。對于鍛造加厚過的鋼管空冷后,不再進行正火處理的試樣,其鍛造加厚部位的強度滿足R780鋼級的要求。通過力學性能試驗,對生產(chǎn)中鍛造加厚的R780鉆桿加厚端進行性能分析,并結合金相試驗分析,說明高溫時因鍛造產(chǎn)生的塑性變形,使相變組織珠光體的成核率增大,而使其片層間距減小,是材料強度提高的一個原因。另一原因是鍛造產(chǎn)生的形變強化。

      2 材料與方法

      2.1 化學成分

      試驗所用材料的化學成分如表1所示。

      表1 R780鋼級36Mn2V的化學成分

      2.2 拉伸和沖擊試驗

      對下列試樣做拉伸和沖擊試驗:經(jīng)熱軋過的原材料R780鋼管(表2中1號);和用該鋼管鍛造加厚過的部位(加厚端):一種鍛造空冷后經(jīng)正火處理(表2中2號),一種僅進行鍛造空冷處理(表2中3號)。試驗結果如表2所示。

      2.3 金相檢驗

      通過表2可以看出2號的強度不能滿足R780鋼級的鋼管要求,1和3號的強度均滿足要求,3號的沖擊韌性很差。又取3種試樣做金相檢驗,見圖1、圖2和圖3分別對應1號、2號和3號試樣。通過對三種金相試樣的分析,可以看出3種試樣的組織均為鐵素體+珠光體組織。其中3號試樣的晶粒最大,未發(fā)現(xiàn)明顯魏氏組織;可以推斷3號試樣的終鍛溫度較高。2號試樣的晶粒最小,鐵素體成網(wǎng)狀。1號和3號的鐵素體成鏈狀,3號試樣同等面積的鐵素體量,要比2號試樣少,其珠光體量要比2號多,且珠光體片層間距比2號小。

      表2 拉伸和沖擊試驗

      注:表中沖擊試樣尺寸10 mm×10 mm×55 mm。1號本用沖擊試樣尺寸10 mm×7.5 mm×55 mm,其沖擊值(J):44/37/45,為對比方便,表中為轉換后的數(shù)值。

      圖1 原材料

      圖2 鍛造空冷+850 ℃正火

      圖3 鍛造空冷

      3 結果與分析

      從上述的拉伸試驗可以看出,經(jīng)熱加工的1號和3號的強度要比正火處理的2號的強度要高。

      材料的性能取決于金相組織,從金相組織看,3號的珠光體量較2號多,片層間距小。珠光體的片層間距減小是鍛造的塑性變形對連續(xù)冷卻中的珠光體相變產(chǎn)生了影響。其機理:在較高溫度進行珠光體相變時,外加應力提供的膨脹能,足以使形核率顯著增加,孕育期縮短[2]。在連續(xù)轉變過程中,由于變形使材料內(nèi)部產(chǎn)生空位、位錯等晶體缺陷,對于珠光體的形核率也會有一定影響。若是在奧氏體形變等溫后(因有再結晶)再進行珠光體相變,則位錯對于碳的擴散率沒有影響[2]。經(jīng)鍛造后,在連續(xù)冷卻轉變過程中,奧氏體向珠光體轉變的量增多,片層間距減小。3號從金相上看鐵素體的量也有所減少,并且轉變不利于魏氏組織的形成(如圖3金相所示)。

      對于珠光體的增多和鐵素體的減少,應與塑性變形和連續(xù)冷卻轉變時的過冷度有關。鍛造后在再結晶溫度長時間停留,會使位錯、空位和內(nèi)應力消失。鍛造產(chǎn)生的塑性變形一部分用于增加后續(xù)的珠光體相變成核率,一部分被保留在組織中產(chǎn)生形變強化。在熱變形過程中既產(chǎn)生位錯和保留應力又有再結晶現(xiàn)象,因再結晶溫度(終鍛溫度)低于始鍛溫度,在連續(xù)冷卻時的再結晶不會使形成的位錯、空位(宏觀為塑性變形)和應力全部消失。鍛造的工件一旦經(jīng)正火(如2號),其強度將會顯著降低,這是因為材料重新加熱到高溫,并經(jīng)過一定時間的保溫,奧氏體的重新形核(再結晶),消除了鍛造的應力和塑性變形。因此,通過正火處理的珠光體量減少,而鐵素體量增多。

      材料晶粒的大小對韌性有影響。3號的晶粒與1號和2號相比明顯粗大,這種粗大的組織使3號的韌性明顯低于1號和2號。鍛造時將材料加工到高溫下,常會使晶粒粗化,在后續(xù)的變形過程中,粗化的晶粒會破碎,隨后再結晶,從而使晶粒得到細化[2]。如果終鍛溫度較高,仍會使晶粒粗化,這將使材料的韌性變差。如果3號試樣在鍛造時,對終鍛溫度控制的合適,不僅會使強度提高,也會使韌性提高。

      4 結論

      通過對上面試驗結果的分析,可以得出如下結論:

      (1)鍛造處理的材料強度比正火處理的強度高。一個重要原因是產(chǎn)生的位錯、空位和內(nèi)應力對材料的強化。另一個原因是鍛造的塑形變形在連續(xù)冷卻下,對奧氏體向珠光體的轉變,有增大成核率的作用。它使鍛造連續(xù)冷卻后的珠光體比正火的多,片層間距小。

      (2)為避免鍛造使材料的晶粒粗化,對生產(chǎn)中需鍛造處理的鋼,應控制其鍛造的始鍛溫度和終鍛溫度,而使鋼的晶粒細化。這樣不僅能夠提高材料的強度,也能提高其塑性和韌性。

      [1] Kehl G L,Bhattacharyya S. The influence of tensile stress on the isothermal decomposition of austenite to ferrite ang pearlite[J]. Trans.ASM, 1956, 48:234-248.

      [2] 徐祖耀. 應力作用下的相變[J]. 熱處理,2004,19(2):1-8.

      [3] 吉田亨,張克儉. 預防熱處理廢品的措施[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社,1979: 64-71.

      2017-02-22

      王洪煒(1983-),男,河北南宮人,石家莊探礦機械廠助理工程師,主要從事理化性能檢驗工作,石家莊市鹿泉區(qū)昌盛大街69號,E-mail:uv193@sina.com。

      P634.4

      A

      1009-282X(2017)03-0017-02

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