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

目 录

1 Q125成分、工艺、组织分析 ............................................................. 错误！未定义书签。

1.1 试验材料 ....................................................................................................... 错误！未定义书签。 1.2 力学性能 ....................................................................................................... 错误！未定义书签。 1.3 显微组织观察 ............................................................................................... 错误！未定义书签。

2 Q125在低温冲击断裂时的裂纹萌生与扩展 .................................... 错误！未定义书签。

2.1 示波冲击实验结果 ....................................................................................... 错误！未定义书签。 2.2 开裂与组织的关系 ....................................................................................... 错误！未定义书签。

2.2.1 0 ℃ ..................................................................................................... 错误！未定义书签。 2.2.2 -20 ℃ ................................................................................................. 错误！未定义书签。 2.2.3 -40 ℃ ................................................................................................. 错误！未定义书签。 2.3 分析和讨论 ................................................................................................... 错误！未定义书签。

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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1000±30℃，中间坯厚度建议为成品厚度的35mm。精轧终轧温度840～890℃。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 Q125 C 0.18 Si 0.3 Mn 1.3 Cr 0.4 Ni 0.3 Ti 0.015 Mo 0.3 V 0.04

1.2 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 水淬 500℃回火 550℃回火 600℃回火 630℃回火 650℃回火 屈服强度MPa 抗拉强度MPa 1180 910 890 880 885 870 1360 995 985 970 980 965 延伸率% 6 15.5 16 16 17 16 冲击Akv（0） 26 80 70 93 88 79 1.3 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500-650℃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。

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500℃回火 530℃回火

淬火态 500℃回火

550℃回火 600℃回火

20μm 630℃回火 650℃回火

图1 Q125不同状态下的组织形貌

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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Akl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。

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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

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图4 -40℃下Q125高强钢示波冲击载荷(能量)－挠度曲线

按照图2-4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))。

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a 2

3

b 1

c 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))

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a b 3 2

2

1

1 11

d c e 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))

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a b 2 3

1

c d e 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

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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。

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