R780钢管锻造后的力学性能分析

王洪炜，杨宏伟

(石家庄探矿机械厂，石家庄 050000)



R780钢管锻造后的力学性能分析

王洪炜，杨宏伟

(石家庄探矿机械厂，石家庄 050000)

对36Mn2V材质的R780钢级钢管的管端进行锻造加厚后再经正火处理，取样做力学性能试验，发现强度不符合要求;取端部锻造加厚未经正火处理的试样做力学性能试验，发现强度虽符合要求，但韧性较低。通过分析实际生产中锻造钢管的金相组织，说明提高钢管锻造强度的因素主要是：一是形变强化，二是在奥氏体状态下进行塑性变形，增大了珠光体的相变成核率[1]。这说明只要能够进行合理的锻造工艺，不仅可以提高材料的强度，还能提高其韧性。

钢管；钻杆；锻造；力学性能；强度；韧性

1 引言

经过锻造的钢材制品在生产中能够获得广泛的应用是由于锻造加工时钢材产生塑性变形，满足一定条件时可以获得较细的晶粒，并可使力学性能得到提高。高温时锻造产生的塑形变形对相变产生影响，在这种情况下获得的金相组织又影响力学性能。在大应力作用下，奥氏体经变形，在连续冷却转变过程中产生珠光体相变(CCT曲线)的研究，在实际生产中具有重要意义。由于目前缺少资料，从生产实践中观察锻造后的组织形态，来说明塑性变形在连续冷却时，奥氏体向铁素体和珠光体组织转变的影响。

R780钢级的钢管，常被用于地质钻杆。其力学性能要求Rm≥780 MPa，Rt0.5≥520 MPa，A≥15%。虽然没有对韧性提出明确要求，但在实际工作中，因韧性低，发生脆性断裂的事件也不少见，因此韧性也不能太低。

本文通过力学性能试验，发现经过锻造加厚过的钢管空冷后，又经过正火处理的试样，其锻造加厚部位强度不能满足R780钢级的要求。对于锻造加厚过的钢管空冷后，不再进行正火处理的试样，其锻造加厚部位的强度满足R780钢级的要求。通过力学性能试验，对生产中锻造加厚的R780钻杆加厚端进行性能分析，并结合金相试验分析，说明高温时因锻造产生的塑性变形，使相变组织珠光体的成核率增大，而使其片层间距减小，是材料强度提高的一个原因。另一原因是锻造产生的形变强化。

2 材料与方法

2.1 化学成分

试验所用材料的化学成分如表1所示。

表1 R780钢级36Mn2V的化学成分

2.2 拉伸和冲击试验

对下列试样做拉伸和冲击试验：经热轧过的原材料R780钢管(表2中1号)；和用该钢管锻造加厚过的部位(加厚端)：一种锻造空冷后经正火处理(表2中2号)，一种仅进行锻造空冷处理(表2中3号)。试验结果如表2所示。

2.3 金相检验

通过表2可以看出2号的强度不能满足R780钢级的钢管要求,1和3号的强度均满足要求,3号的冲击韧性很差。又取3种试样做金相检验，见图1、图2和图3分别对应1号、2号和3号试样。通过对三种金相试样的分析，可以看出3种试样的组织均为铁素体+珠光体组织。其中3号试样的晶粒最大，未发现明显魏氏组织;可以推断3号试样的终锻温度较高。2号试样的晶粒最小，铁素体成网状。1号和3号的铁素体成链状,3号试样同等面积的铁素体量，要比2号试样少，其珠光体量要比2号多，且珠光体片层间距比2号小。

表2 拉伸和冲击试验

注：表中冲击试样尺寸10 mm×10 mm×55 mm。1号本用冲击试样尺寸10 mm×7.5 mm×55 mm，其冲击值(J)：44/37/45，为对比方便，表中为转换后的数值。

图1 原材料

图2 锻造空冷+850 ℃正火

图3 锻造空冷

3 结果与分析

从上述的拉伸试验可以看出，经热加工的1号和3号的强度要比正火处理的2号的强度要高。

材料的性能取决于金相组织，从金相组织看，3号的珠光体量较2号多，片层间距小。珠光体的片层间距减小是锻造的塑性变形对连续冷却中的珠光体相变产生了影响。其机理：在较高温度进行珠光体相变时，外加应力提供的膨胀能，足以使形核率显著增加，孕育期缩短[2]。在连续转变过程中，由于变形使材料内部产生空位、位错等晶体缺陷，对于珠光体的形核率也会有一定影响。若是在奥氏体形变等温后(因有再结晶)再进行珠光体相变，则位错对于碳的扩散率没有影响[2]。经锻造后,在连续冷却转变过程中，奥氏体向珠光体转变的量增多，片层间距减小。3号从金相上看铁素体的量也有所减少，并且转变不利于魏氏组织的形成(如图3金相所示)。

对于珠光体的增多和铁素体的减少，应与塑性变形和连续冷却转变时的过冷度有关。锻造后在再结晶温度长时间停留，会使位错、空位和内应力消失。锻造产生的塑性变形一部分用于增加后续的珠光体相变成核率，一部分被保留在组织中产生形变强化。在热变形过程中既产生位错和保留应力又有再结晶现象，因再结晶温度(终锻温度)低于始锻温度，在连续冷却时的再结晶不会使形成的位错、空位(宏观为塑性变形)和应力全部消失。锻造的工件一旦经正火(如2号)，其强度将会显著降低，这是因为材料重新加热到高温，并经过一定时间的保温，奥氏体的重新形核(再结晶)，消除了锻造的应力和塑性变形。因此，通过正火处理的珠光体量减少，而铁素体量增多。

材料晶粒的大小对韧性有影响。3号的晶粒与1号和2号相比明显粗大，这种粗大的组织使3号的韧性明显低于1号和2号。锻造时将材料加工到高温下，常会使晶粒粗化，在后续的变形过程中，粗化的晶粒会破碎，随后再结晶，从而使晶粒得到细化[2]。如果终锻温度较高，仍会使晶粒粗化，这将使材料的韧性变差。如果3号试样在锻造时，对终锻温度控制的合适，不仅会使强度提高，也会使韧性提高。

4 结论

通过对上面试验结果的分析，可以得出如下结论：

(1)锻造处理的材料强度比正火处理的强度高。一个重要原因是产生的位错、空位和内应力对材料的强化。另一个原因是锻造的塑形变形在连续冷却下，对奥氏体向珠光体的转变，有增大成核率的作用。它使锻造连续冷却后的珠光体比正火的多，片层间距小。

(2)为避免锻造使材料的晶粒粗化，对生产中需锻造处理的钢，应控制其锻造的始锻温度和终锻温度，而使钢的晶粒细化。这样不仅能够提高材料的强度，也能提高其塑性和韧性。

[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. 应力作用下的相变[J]. 热处理,2004,19(2):1-8.

[3] 吉田亨,张克俭. 预防热处理废品的措施[M]. 北京: 机械工业出版社,1979: 64-71.

2017-02-22

王洪炜(1983-)，男，河北南宫人，石家庄探矿机械厂助理工程师，主要从事理化性能检验工作，石家庄市鹿泉区昌盛大街69号，E-mail：uv193@sina.com。

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