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1、Q125 湖南华菱涟源钢铁有限公司北京科技大学“高性能N80Q、P110、Q125石油套管用 热轧卷板的产品开发及工艺研究”实验分析Q125北京科技大学冶金工程研究院高效轧制国家工程研究中心2010年05月1 Q125成分、工艺、组织分析1.1 试验材料本次试验的材料为北京科技大学冶金工程研究院试验中心冶炼的Q125级石油套管钢，其成分如表1所示。铸坯锻造成80mm板坯，加热温度： 1220，加热时间为2小时。对于8mm厚度钢板粗轧终轧控制为100030，中间坯厚度建议为成品厚度的35mm。精轧终轧温度840890。采用控制冷却工艺，卷取温度控制在610-650。淬火工艺加热温度930，回火温

2、度控制在500-650，回火时间按60min控制。表1 试验样品的成分钢种CSiMnCrNiTiMoVQ1250.180.31.30.40.30.0150.30.041.2 力学性能表2 给出了Q125的拉伸和冲击性能。表2 Q125的拉伸冲击性能钢种Q125屈服强度MPa抗拉强度MPa延伸率%冲击Akv（0）水淬11801360626500回火91099515.580550回火8909851670600回火8809701693630回火8859801788650回火87096516791.3 显微组织观察 经过研磨、抛光和5%的硝酸酒精溶液的侵蚀后，从宏观角度来看，由图可见，经过500-65

3、0回火后，Q125组织基本为回火贝氏体，各项性能指标达到要求，630-650回火后，组织开始发生再结晶，出现了少量多边形铁素体，导致强度有一定幅度下降但仍能够满足Q125的性能要求。500回火 530回火淬火态 500回火550回火 600回火630回火 650回火图1 Q125不同状态下的组织形貌2 Q125在低温冲击断裂时的裂纹萌生与扩展2.1 示波冲击实验结果图2-4分别为实验温度为0、-20、-40时的示波冲击图。图2为典型的冲击载荷(能量)挠度曲线，由图2可见，在冲击载荷作用下，首先进入的是缺口根部弹性变形阶段，冲击载荷随挠度呈线性增加，冲击载荷增加到一定值开始偏离弹性比例线，发生净

4、截面屈服，记为净截面屈服载荷Fgy；随之载荷呈指数关系上升，缺口根部塑性变形开始并逐渐增加，伴随加工硬化现象，载荷增大到最大值，记为Fmax，裂纹已经萌生并开始延性扩展；此时试样两侧在缺口处呈现侧向收缩。因而认为，裂纹萌生是与缺口处一定范围内的塑性变形相关的。以后载荷逐渐下降，当载荷达到Fiu时，载荷突然激烈下降，对于韧性材料而言，由于剪切唇的撕裂载荷陡降后仍有一缓降过程。当载荷达到Fiu之后，裂纹即失稳扩展。裂纹扩展过程中载荷呈阶梯状下降，证明裂纹扩展受到较大的阻力，这是材料韧性好的缘故。冲击载荷在各变形和断裂阶段的变化过程，对应着冲击吸收能量的变化，最大载荷值Fmax对应的冲击能量消耗Ak

5、l包含了试样缺口根部弹性变形功(载荷0-Fgy)和塑性变形功(载荷Fgy-Fmax)，此时裂纹已在缺口根部萌生，因而Akl表征裂纹萌生所消耗的能量，它主要与缺口根部的应力集中情况及表面状态有关。裂纹萌生后进入稳定扩展阶段，载荷值随着绕度的增加较为缓慢的下降，至某一挠度值后(裂纹达到临界长度，载荷Fiu)突然激烈下降，裂纹失稳扩展，导致断裂。裂纹稳定扩展消耗的能量Ak2和失稳扩展消耗的能量Ak3之和Ak23统称为裂纹扩展功。图2 0下Q125高强钢示波冲击载荷(能量)挠度曲线图3 -20下Q125高强钢示波冲击载荷(能量)挠度曲线图4 -40下Q125高强钢示波冲击载荷(能量)挠度曲线按照图2-

6、4中载荷挠度曲线记录的冲击断裂过程可将Q125级高强钢不同冲击温度下试样的冲击断裂分为三种类型：第一种类型为韧断型，如图2所示，失稳断裂发生在较大的塑性变形，冲击功很高，裂纹稳定扩展功在总能量消耗中占有很高的比例，失稳断裂载荷降低到较低的水平，与冷脆转变曲线上平台位置相对应；第二种为脆断型，如图2所示，失稳断裂发生在冲击载荷达到最大值之前，断裂载荷较高，失稳断裂发生在冲击载荷达到最大值之前，断裂载荷较高，失稳断裂对应的挠度值很小，缺口根部的塑性变形很小，总冲击功很低，裂纹萌生后立即发生失稳扩展，裂纹扩展吸收的能量几乎为零，与冷脆转变曲线的下平台位置相对应；第三种类型为过渡型，如图3所示，经过最

7、大载荷值点，裂纹经过了一较短暂的稳定扩展阶段发生失稳断裂，裂纹萌生和扩展消耗的能量大小相当，这一断裂类型相当于出现在冷脆转变曲线上下平台之间的过渡区。2.2 开裂与组织的关系2.2.1 0 宏观断口表面呈暗灰色。断口由源区、放射区及剪切唇区组成。源区在缺口附近，随后是放射区，三个自由表面则是剪切唇区。微观断口显示，源区、放射区和剪切唇区均为韧窝断裂，放射区的韧窝较大、较深(图 5中(c)，源区和剪切唇区的韧窝较小、较浅(图 5中(b)和图 5中(d)。图 5 断口形貌(a)宏观断口形貌;(b)源区韧窝断裂特征(a中1区);(c)放射区韧窝断裂特征(a中2区);(d)剪切唇区韧窝断裂特征(a中3

8、区)2.2.2 -20 这时的开裂机制同0 下发生了很大的变化。宏观断面较平坦，呈暗灰色。裂纹源在近缺口处形成，随后是放射区，放射区有明显的放射棱。三个自由表面则是剪切唇区，剪切唇区所占比例较小(图6(a)。微观断口显示，源区的韧窝较浅平(图6(c)。放射区为解理断裂(图6(e)。剪切唇区很窄，韧窝较小、较浅(图6中(f) 图6 断口形貌(a)宏观断口形貌;(b)源区韧窝断裂特征(a中1区);(c)源区韧窝断裂特征(b中1区);(d)源区韧窝断裂特征(b中1区);(e)放射区韧窝断裂特征(a中2区);(f)剪切唇区韧窝断裂特征(a中3区) 2.2.3 -40 这时的断裂机制时解理断裂。宏观断面

9、较平坦，呈暗灰色。裂纹源在近缺口处形成，随后是放射区，放射区有明显的放射棱。三个自由表面则是剪切唇区，剪切唇区很窄，所占比例较小(图7(a)。微观断口显示，源区的韧窝较浅平(图2.8(c)。放射区为解理断裂(图2.8(d、e)。剪切唇区韧窝较小、较浅(图2.8中(f)图7 断口形貌(a)宏观断口形貌;(b)源区韧窝断裂特征(a中1区);(c) 源区韧窝断裂特征(a中1区);(d) 源区韧窝断裂特征(a中2区);(e)放射区韧窝断裂特征(a中2区);(f)剪切唇区韧窝断裂特征(a中3区)2.3 分析和讨论示波冲击实验所测的冲击功包括两个部分，一部分是裂纹形核功，另一部分是裂纹扩展功，同裂纹扩展功

10、相比，裂纹形核功所占的比例很小。在材料的韧脆转变温度范围内，裂纹形核功基本不变，而裂纹扩展功则随温度的降低而减小。故温度降低时冲击功的变化主要受裂纹扩展功的变化所控制。从宏观上看，金属中裂纹的走向主要由应力原则和能量原则所决定。在晶界附近由于相邻晶粒取向不同的约束，当扩展裂纹由一个晶粒进入相邻晶粒时，由于滑移系或解理面方向的变化，穿过复杂位错结构的晶界比较困难；晶界对裂纹的扩展起到有效的阻碍作用，它可以使得裂纹扩展发生偏折，扩展路径增加，消耗的能量增大。因此断裂过程中裂纹的扩展路径对断裂能量消耗起着决定性的作用。Q125高强钢的冲击韧度随温度的降低而降低，温度低于-40时的裂纹形成功、裂纹扩展功和总功均随温度降低明显下降。随着温度的降低，断口上的空洞数量增多，体积增大，导致裂纹扩展容易，裂纹扩展功下降。