【摘要】：隨著科技的發(fā)展,對石油、天然氣的消耗量迅速增大,深井、超深井的數(shù)量快速增多,對鉆桿的性能指標提出了更高的要求。研究者一直試圖獲得強韌性配合更好的高質(zhì)量鉆桿鋼,但以往新材料的研究與開發(fā)通常采用“嘗試法”,需要材料開發(fā)人員經(jīng)過反復、大量的實驗和經(jīng)驗來摸索,確定材料的成分和工藝參數(shù)等。本論文采用相圖的熱力學計算方法(CALPHAD),建立了部分鐵基熱力學數(shù)據(jù)庫。選擇碳含量為0.31 wt.%的S135鉆桿鋼作為實驗材料,結(jié)合計算相圖設(shè)計熱處理工藝,研究鉆桿復相組織的微觀組織與力學性能,以獲得強韌性匹配良好的鉆桿材料。通過收集低元系熱力學參數(shù)以及對計算相圖和熱力學性質(zhì)的檢驗,建立了部分鐵基熱力學數(shù)據(jù)庫(Fe-Al-C-Cr-Cu-Mn-Mo-N-Nb-Ni-Si-Ti-V),并完成了 Nd-Sn 和 Sn-Tb 兩個二元體系的計算,以補充所建立的數(shù)據(jù)庫。根據(jù)數(shù)據(jù)庫計算了 S135鉆桿鋼成分的縱截面相圖,從相圖中得到A1和A3的計算值分別為800 ℃和890 ℃。利用合金法對計算相圖的A1和A3溫度進行了實驗驗證,經(jīng)過對組織的觀察分析,確定A1和A3的實驗值分別為730 ℃和825 ℃。利用文獻報道的實驗數(shù)據(jù),從熱處理工藝設(shè)計和第二相碳氮化合物粒子析出分析兩方面來驗證了數(shù)據(jù)庫的合理性。結(jié)合計算相圖,研究了 S135鉆桿鋼的鐵素體與馬氏體復相組織。根據(jù)杠桿定律,計算試樣中不同相所占體積比,將試樣亞溫淬火溫度定位770℃,為了檢驗770℃淬火得到的力學性能是否為最佳,最終將熱處理工藝擬定為880 ℃保溫3 h退火+750-790 ℃淬火+250 ℃保溫1h回火。實驗結(jié)果表明:隨著淬火溫度的升高,馬氏體的浮凸現(xiàn)象越來越明顯,并且馬氏體區(qū)域逐漸增大,鐵素體區(qū)域逐漸減小。S135鉆桿鋼硬度逐漸增大,強度升高,塑性先升后降并在770 ℃時獲得最大值。對亞溫淬火后的S135鉆桿鋼進行250℃的回火處理后,復相組織的強度有所下降,但塑性得到很大提高。根據(jù)相圖擬定的熱處理工藝:880 ℃保溫3 h退火+ 770 ℃淬火+ 250 ℃保溫1 h回火,能得到最佳的強塑性匹配。結(jié)合計算相圖,研究了 S135鉆桿鋼的貝氏體與馬氏體復相組織。在280-310℃溫度范圍內(nèi)等溫淬火,獲得了下貝氏體+馬氏體的復相組織。經(jīng)500℃回火后,隨著等溫溫度的升高,硬度降低但仍高于原始值,沖擊韌性和強度大幅提高。在280-310 ℃范圍內(nèi)等溫淬火時,310 ℃等溫淬火能獲得最佳性能,實現(xiàn)下貝氏體+馬氏體復相組織高強度、高韌性的良好匹配。研究結(jié)果表明,在保證硬度需求和不出現(xiàn)上貝氏體的前提下,較高溫轉(zhuǎn)變后得到的貝氏體更利于提高復相組織的韌性�；诒疚难芯拷Y(jié)果,本研究建立的部分鐵基熱力學數(shù)據(jù)庫在熱處理工藝設(shè)計研究中體現(xiàn)出了一定的指導作用,但還需進一步完善,才能更加準確的指導熱處理工藝設(shè)計、確定材料的成分和工藝參數(shù)等。
【學位授予單位】：西南石油大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG142.1;TG161;TE921.2
【圖文】：

的相圖再現(xiàn)過程。其實質(zhì)是根據(jù)已知的熱力學與相平衡數(shù)據(jù)，通過相圖計算軟件獲得低逡逑組元系統(tǒng)中各相吉布斯能的熱力學參數(shù)，然后通過外推方法，從低組元系統(tǒng)外推獲得多逡逑組元系統(tǒng)的熱力學參數(shù)，圖１－１為ＣＡＰＬＨＡＤ計算的圖解。這些熱力學參數(shù)在很多情況逡逑１逡逑

同時良好的成形性和可焊性也保留了下來。臨界區(qū)熱處理獲得鐵素體＋馬氏體逡逑雙相鋼的方法有三種，即臨界區(qū)再加熱淬火、臨界區(qū)加熱淬火和臨界區(qū)分級淬火［１（）］，如逡逑圖１－２所示，其中臨界區(qū)熱處理又叫亞溫淬火。與傳統(tǒng)的淬火工藝不同，亞溫淬火加熱逡逑溫度范圍為比傳統(tǒng)的淬火溫度低５０－Ｉ００0Ｃ，亞溫淬火的加熱溫度范圍圖如圖逡逑１－３所示。逡逑Ａｃ３Ｌｙ－｜￣Ｌ邐—邐逡逑？＋ｙ邐邐邋邐逡逑Ａ邋ｍ邋ｍｔ邋ｍｉ邋ｍｍ邋■邐ｍ邐？？ｉ邐■邋ｗ？邐Ｗ邋ａ？邋■■逡逑。邋＼逡逑（ａ）邐（ｂ）邐（ｃ）邐１逡逑（ａ）臨界區(qū)再加熱淬火（ｂ）臨界區(qū)加熱淬火（ｃ）臨界區(qū)分級淬火逡逑圖１－２獲得馬氏體＋鐵素體雙相鋼的熱處理工藝曲線圖逡逑５逡逑

【參考文獻】

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本文編號：2727490