第9期 王立东等：电阻焊接用高强Q125级石油套管钢组织及其性能 ·1031· 体板条内部、板条边缘和奥氏体晶界上聚集，从而形 奥氏体晶粒尺寸为10~15μm,且晶粒大小较均匀； 成大量弥散的一碳化物质点.这些碳化物质点对 而在870℃淬火+500℃回火工艺下，奥氏体晶粒尺 位错运动阻碍作用非常明显，从而使其强度大幅度 寸约为15~25μm,虽然也有少许部分细小晶粒，但 提高.870℃淬火+500℃回火的实验钢板条特征比 大部分晶粒明显粗化.由于晶粒大小有所不同，850℃ 较明显，析出的细小日一碳化物主要在马氏体晶界或 淬火+500℃回火工艺下钢的性能优于870℃淬 原奥氏体晶界聚集：850℃淬火+500℃回火的钢板 火+500℃回火工艺.原始奥氏体品粒的细化，主要 条特征不明显，但碳化物分布很均匀.从各自的扫 得益于合理的控制轧制及淬火+回火工艺，控制轧 描照片(SEM)还可以看到清晰的原奥氏体晶界，特 制在一定程度上细化了奥氏体晶粒，淬火及回火时 别是图3()，可以得知原奥氏体晶粒细小，这点在 加热温度和时间的合理控制使得细小的奥氏体晶粒 后续讨论中仍会提到. 尺寸得到保持，从而为后续得到细小的马氏体组织 提供了条件. 3 分析与讨论 在原奥氏体晶粒中，马氏体亚结构共分为三个 实验结果表明，经过850℃淬火+500℃回火、 层次，即晶区、板条束和板条，如图5所示.马氏 870℃淬火+500℃回火两种热处理工艺使得实验 体亚结构的尺寸由原奥氏体晶粒大小控制的.奥氏 钢均达到了标准中对Q125级石油套管钢的性能要 体晶粒越小，则晶区、板条束和板条的尺寸也就越 求.通过对比，经过850℃淬火+500℃回火处理的 小.马氏体内亚结构的大小实际影响马氏体钢的性 钢强度较高，而韧性又与870℃淬火+500℃回火处 能，决定马氏体钢的强度和韧性的直接因素为晶区 理后的相当，因此更适合用于生产Q125级的石油 和板条束的尺寸6-).相关研究表明-10，晶区和板 套管钢.实验钢之所以能达到高强石油套管钢的要 条束尺寸对马氏体钢强度的影响也呈Hall-Petch关 求，实现更好的强韧性结合，主要归因于组织的细化 系，但马氏体板条宽度不受控于原奥氏体品粒大小. 以及析出强化. 随着淬火加热温度的增加，原子扩散的激活能 3.1组织细化 减小，晶粒长大速度增加，奥氏体晶粒开始粗化.淬 细化晶粒是目前唯一一种既能提高强度又能提 火后形成的马氏体亚结构尺寸也越粗大，强度和韧 高韧性的手段，其对于具有中温回火和高温回火组 性降低.实验钢在850℃淬火+500℃回火与870℃ 织的高强度钢力学性能影响十分显著回.细晶强化 淬火+500℃回火，均使实验钢的性能达到了标准 可用经典的Hall-Petch公式来描述： 要求.通过对比，经过850℃淬火+500℃回火处理 0,=0o+kd-12 (1) 的钢强度、韧性又相对较高.这主要是由于淬火加 式中，σ，为屈服强度，σo为内摩擦应力，k为常数，d 热温度升高，使得奥氏体品粒粗化，如图4所示.奥 为晶粒直径 氏体晶粒尺寸的大小依赖于淬火加热温度和保温时 调质钢晶粒大小一般以原始奥氏体晶粒的尺寸 间.淬火加热温度越高，保温时间越长，原始奥氏体 为准.图4为两种热处理工艺下，实验钢的原始 晶粒尺寸越粗大.奥氏体晶粒长大的速度为 奥氏体晶粒图.在850℃淬火+500℃回火工艺下， 'n∝Doexp(-Q/kT) (2) (a) h 20 um 204m 图4原始奥氏体品粒图.(a)850℃淬火+500℃回火：(b)870℃淬火+500℃回火 Fig.4 Optical micrographs of original austenite grains:(a)quenched at 850C and tempered at 500C:(b)quenched at 870C and tempered at 500℃第 9 期 王立东等: 电阻焊接用高强 Q125 级石油套管钢组织及其性能 体板条内部、板条边缘和奥氏体晶界上聚集，从而形 成大量弥散的 θ--碳化物质点． 这些碳化物质点对 位错运动阻碍作用非常明显，从而使其强度大幅度 提高． 870 ℃淬火 + 500 ℃回火的实验钢板条特征比 较明显，析出的细小 θ--碳化物主要在马氏体晶界或 原奥氏体晶界聚集; 850 ℃淬火 + 500 ℃ 回火的钢板 条特征不明显，但碳化物分布很均匀． 从各自的扫 描照片( SEM) 还可以看到清晰的原奥氏体晶界，特 别是图 3( d) ，可以得知原奥氏体晶粒细小，这点在 后续讨论中仍会提到． 3 分析与讨论 实验结果表明，经过 850 ℃ 淬火 + 500 ℃ 回火、 870 ℃ 淬火 + 500 ℃ 回火两种热处理工艺使得实验 钢均达到了标准中对 Q125 级石油套管钢的性能要 求． 通过对比，经过 850 ℃淬火 + 500 ℃ 回火处理的 钢强度较高，而韧性又与 870 ℃淬火 + 500 ℃回火处 理后的相当，因此更适合用于生产 Q125 级的石油 套管钢． 实验钢之所以能达到高强石油套管钢的要 求，实现更好的强韧性结合，主要归因于组织的细化 以及析出强化． 图 4 原始奥氏体晶粒图 . ( a) 850 ℃淬火 + 500 ℃回火; ( b) 870 ℃淬火 + 500 ℃回火 Fig． 4 Optical micrographs of original austenite grains: ( a) quenched at 850 ℃ and tempered at 500 ℃ ; ( b) quenched at 870 ℃ and tempered at 500 ℃ 3. 1 组织细化 细化晶粒是目前唯一一种既能提高强度又能提 高韧性的手段，其对于具有中温回火和高温回火组 织的高强度钢力学性能影响十分显著［3］． 细晶强化 可用经典的 Hall-Petch 公式来描述: σs = σ0 + kd － 1 /2 ． ( 1) 式中，σs为屈服强度，σ0为内摩擦应力，k 为常数，d 为晶粒直径． 调质钢晶粒大小一般以原始奥氏体晶粒的尺寸 为准［4］． 图 4 为两种热处理工艺下，实验钢的原始 奥氏体晶粒图． 在 850 ℃淬火 + 500 ℃ 回火工艺下， 奥氏体晶粒尺寸为 10 ～ 15 μm，且晶粒大小较均匀; 而在 870 ℃淬火 + 500 ℃回火工艺下，奥氏体晶粒尺 寸约为 15 ～ 25 μm，虽然也有少许部分细小晶粒，但 大部分晶粒明显粗化． 由于晶粒大小有所不同，850 ℃ 淬火 + 500 ℃ 回火工艺下钢的性能优于 870 ℃ 淬 火 + 500 ℃回火工艺． 原始奥氏体晶粒的细化，主要 得益于合理的控制轧制及淬火 + 回火工艺，控制轧 制在一定程度上细化了奥氏体晶粒，淬火及回火时 加热温度和时间的合理控制使得细小的奥氏体晶粒 尺寸得到保持，从而为后续得到细小的马氏体组织 提供了条件． 在原奥氏体晶粒中，马氏体亚结构共分为三个 层次［5］，即晶区、板条束和板条，如图 5 所示． 马氏 体亚结构的尺寸由原奥氏体晶粒大小控制的． 奥氏 体晶粒越小，则晶区、板条束和板条的尺寸也就越 小． 马氏体内亚结构的大小实际影响马氏体钢的性 能，决定马氏体钢的强度和韧性的直接因素为晶区 和板条束的尺寸［6--7］． 相关研究表明［8--10］，晶区和板 条束尺寸对马氏体钢强度的影响也呈 Hall--Petch 关 系，但马氏体板条宽度不受控于原奥氏体晶粒大小． 随着淬火加热温度的增加，原子扩散的激活能 减小，晶粒长大速度增加，奥氏体晶粒开始粗化． 淬 火后形成的马氏体亚结构尺寸也越粗大，强度和韧 性降低． 实验钢在 850 ℃淬火 + 500 ℃回火与 870 ℃ 淬火 + 500 ℃ 回火，均使实验钢的性能达到了标准 要求． 通过对比，经过 850 ℃淬火 + 500 ℃ 回火处理 的钢强度、韧性又相对较高． 这主要是由于淬火加 热温度升高，使得奥氏体晶粒粗化，如图 4 所示． 奥 氏体晶粒尺寸的大小依赖于淬火加热温度和保温时 间． 淬火加热温度越高，保温时间越长，原始奥氏体 晶粒尺寸越粗大． 奥氏体晶粒长大的速度为 VD∝D0 exp( － Q/kT) ． ( 2) ·1031·