对以铁素体+珠光体组织为主的钢材进行910℃淬火+不同温度回火(500，550，600℃)热处理，获得超高强度级套管钻井钢，并在不同温度(-60~20℃)下进行冲击试验，研究了回火和冲击试验温度对套管钻井钢冲击韧性和断裂机理的影响。结果表明：随着回火温度的升高，套管钻井钢的马氏体逐渐消失，形成回火索氏体组织，室温冲击时消耗的冲击能增大，最大冲击载荷减小；不同温度回火钢的冲击断口宏观形貌均为纤维区和剪切唇，断裂机理均为韧性断裂；550℃回火套管钻井钢的韧脆转变温度为-33.64℃，随着冲击试验温度的降低，其冲击能逐渐减小，宏观断口形貌由完全纤维区转变为近完全放射区，微观断口形貌由完全韧窝形貌转变为包含局部韧窝结构的准解理结构。
1 、试样制备与试验方法
试验钢的初始组织以铁素体和珠光体为主，其化学成分满足 API Specification 5CT-2005对套管钻井钢的要求。使用电阻炉对试验钢进行热处理，将试验钢在910℃下保温60min奥氏体化，水淬到室温，再进行回火处理,回火温度分别为500，550，600℃，保温时间为60min，空冷至室温。
在回火后的试验钢上取样，经镶样，磨抛，用体积分数4%的硝酸酒精溶液浸蚀后，使用光学显微镜观察显微组织。在试验钢上加工出如图1所示的冲击试样，按照GB/T 229-2020，使用冲击试验机进行室温(20℃)冲击试验。
使用高低温试验箱将取自550℃回火试验钢的冲击试样分别冷却至0，-20，-40，-60℃，保温20min后，立即使用冲击试验机进行低温冲击试验，试验机系统自动记录冲击过程中试样的载荷和位移数据,得到载荷-位移曲线。当材料出现明显的解理断口，即进入韧脆转变区时，对应的位移-载荷曲线通常会出现载荷瞬间急剧下降的现象，即试样裂纹扩展过程中消耗的能量急剧下降。使用单通体视显微镜和扫描电镜(SEM)观察冲击断口形貌。
2、 试验结果与讨论
2.1 回火温度对显微组织的影响
由图2可见，随着回火温度的升高，试验钢中的板条马氏体组织逐渐消失，整块铁素体基体呈增大趋势，强化相颗粒呈减少趋势，形成回火索氏体组织。当回火温度为600℃时，试验钢的组织基本上全部为回火索氏体，几乎不存在板条马氏体。
2.2 回火温度对室温冲击性能的影响
由图3和表1可以看出，随着回火温度升高，试验钢室温下能承受的最大载荷减小，但消耗的冲击能增大。
表1 不同温度回火试验钢室温冲击时的最大载荷和冲击能
由图4可见，当回火温度为500，550，600℃时，试验钢在室温下冲击断口的宏观形貌相似，均由剪切唇和纤维区组成，剪切断面率均为100%，为完全韧性断裂。
相比500℃回火试验钢，550℃回火试验钢在室温冲击下能够承受的最大载荷仅略微下降，但冲击能增加了20%以上，而600℃回火试验钢的冲击能虽然最大，但其最大载荷显著下降。综合考虑最大载荷与冲击能，550℃回火试验钢具有相对更好的综合力学性能。因此，选择该回火试验钢进一步用于低温冲击性能的研究。
2.3 冲击试验温度对冲击性能的影响
由图5可见：550℃回火试验钢在0℃和20℃下冲击时的载荷-位移曲线几乎重合，并且载荷在达到最大值后，随着位移的增加缓慢降低。当冲击试验温度降低到-20 ℃、位移小于2.4mm时，载荷-位移曲线与冲击试验温度为0，20℃下几乎重合，而在位移约为2.4mm处载荷由 14.02kN突降到11.32kN(A-B段)，这表明试样的承载能力突降，裂纹迅速扩展，试验钢已进入韧脆转变区；该过程消耗的能量很少，可以忽略不计。当冲击试验温度降低至-40℃时，试验钢的载荷在达到最大值立刻急剧下降，在很短的位移内下降了80%以上，这表明裂纹迅速扩展，且扩展距离很大，该过程只消耗了很少的能量。当冲击试验温度降低至-60℃时，载荷在达到最大值后下降得更加迅速，在裂纹扩展过程中几乎没有能量消耗。值得注意的是，-60℃时载荷骤降对应的裂纹扩展尺寸相当大，这意味着工程应用构件在失效过程中几乎不会发生变形，而是瞬间断裂，容易造成灾难性事故。
通过以上分析可知，冲击裂纹扩展部分的载荷-位移曲线的总体斜率与冲击试验温度具有一定的相关性。冲击裂纹扩展部分载荷-位移曲线的总体斜率计算公式如下：
由图6可见：试验钢冲击裂纹扩展部分载荷-位移曲线的总体斜率的绝对值随冲击试验温度的升高先快速降低，然后降低速度减缓，最后趋于稳定。当总体斜率绝对值较小且相对稳定时，试验钢表现为韧性断裂；当总体斜率绝对值较大时，试验钢表现为脆性断裂。B165钢及球墨铸铁也呈现出了相似的规律。
使用Boltzmann函数对冲击试验温度和试样所消耗的冲击能进行回归分析，公式如下：
拟合得到的曲线见图7，拟合相关系数为0.9994。由图7可见，试样所消耗的冲击能随冲击试验温度的变化可分为3个区域，包括上平台区(区域III)、韧脆转变区(区域II)和下平台区(区域I)。通常在上平台区，冲击能较高且相对比较稳定，断口为完全或近完全韧性断口；在下平台区，冲击能较低且相对比较稳定，断口为完全或近完全脆性断口；在韧脆转变区，冲击能随温度发生显著变化，断口为混合断口。在0~20℃范围，试样所消耗的冲击能均在60J左右，这意味着温度不低于0℃时试验钢的冲击性能对温度变化不敏感；当试验温度在-40~-20℃时，随着试验温度的降低，试样所消耗的冲击能迅速减小，特别是在韧脆转变区，冲击能下降速率达到最大值；当试验温度由-40℃继续降低至-60℃时，试样所消耗的冲击能下降速率减小，结合Boltzmann拟合曲线可知-60℃已经处于下平台区，此时试样依旧具有较高的冲击韧性，所消耗的冲击能约为30J。
使用Boltzmann函数对图7的冲击能数据点进行回归分析，可知550℃回火试验钢的韧脆转变温度为-33.64℃。在该温度点附近，材料断裂所消耗的冲击能是极度不稳定的，温度稍有降低，都会导致材料的冲击韧性急剧下降。
由图8可见：当冲击试验温度为0℃时，试验钢宏观断口由纤维区和剪切唇区构成，没有放射区，剪切断面率达到100%。纤维区是由于塑性变形过程中微裂纹不断扩展所形成的，具有明显的呈扇形分布的带状结构；剪切唇区的形成相对滞后，是冲击裂纹尖端中部孔洞沿裂纹扩展方向优先扩展，边扩展边发生塑性变形，扩展到一定程度后两侧的韧带(裂纹扩展过程中未断裂，依旧连接的部分)同时断裂而形成的。纤维区微观形貌呈现为韧性断裂特征，由较浅且不均匀的韧窝构成。这是因为冲击断裂过程很快，裂纹尖端局部受力，没有充足的时间去完成微孔的聚合，也没有充足的时间使韧窝颗粒周边的韧带得到充分伸展。
当冲击试验温度为-40℃时，试验钢宏观断口由纤维区、剪切唇区和放射区组成，放射区所占比例较大，纤维区和剪切唇区占比较小。放射区微观上主要呈现为解理结构，但同时还存在较多的韧窝。相对于高温而言，低温下原子间的热运动能力变弱，位错难以滑移和攀移，塑性变形变得更加困难，因此材料易发生脆性断裂，部分位置沿晶体学平面发生解理扩展，形成准解理断裂形貌。解理断裂需要的能量很少，载荷快速下降；但同时局部区域发生了塑性变形，导致能量增加，载荷下降趋缓，因此载荷快速下降曲线部分还存在少量小台阶，这些小台阶与放射区的局部韧窝结构具有对应关系。
随着冲击试验温度进一步降低至-60℃，冲击试样的宏观断口形貌与-40℃下相似，只是相比-40℃宏观冲击断口，其放射区更大，纤维区和剪切唇区则更小，放射区微观上的局部韧窝结构更少，韧窝较小且呈带状分布。断口形貌与该温度下试验钢的冲击能最小是吻合的。
3、 结 论
(1)随着回火温度的升高，试验钢的马氏体逐渐消失，形成回火索氏体组织，室温冲击时消耗的冲击能增大，承受的最大载荷减小；不同温度回火试验钢的室温冲击断口宏观均可观察到纤维区和剪切唇，断裂机理均为韧性断裂。550℃回火试验钢具有相对更好的综合力学性能。
(2)随着冲击试验温度的降低，550℃回火试验钢所消耗的冲击能逐渐减小，冲击断口宏观形貌由完全纤维区转变为近完全放射区，微观形貌由完全韧窝形貌转变为包含局部韧窝结构的准解理结构，断裂机理由韧性断裂转变为脆性断裂。
(3)550℃回火试验钢韧脆转变温度较低，为33.64℃；即使在下平台区，试验钢依旧具有较高的冲击韧性，在冲击断裂过程消耗的冲击能约为30J。
引用本文：
许天旱，张燚，毕柳涵.回火和冲击试验温度对套管钻井钢冲击韧性及断裂机理的影响[J].机械工程材料，2023，47（4）：40-44，60.
Xu T H, Zhang Y, Bi L H. Effect of Tempering and Impact Test Temperature on Impact Toughness and Fracture Mechanism of Casing Drilling Steel, 2023, 47（4）: 40-44，60.
DOI:10.11973/jxgccl202304008
来源：机械工程材料
关键词：
回火
冲击试验
套管钻井钢
冲击韧性
断裂机理
