technology)是石油钻井行业的革命性技术該项技术核心的优点在于可以节约井眼尺寸,另外还可用于套管修补、完井及采油等作业全过程,被认为是21世纪石油钻采行业的核心技术之一。可膨胀管材的研究是可膨胀管技术中最为关键的问题,在很大程度上制约着可膨胀管技术的发展由于可膨胀管一般是在深井或海洋中施笁,要求膨胀管不但要满足必要的膨胀工艺外,还要承受巨大的外力和复杂的施工环境。因此可膨胀管材料必须同时具有足够的强度、高的均勻塑性变形能力、良好的韧性和抗腐蚀、磨损能力本研究主要针对常规膨胀量(均匀延伸率≥10%)和大膨胀量(均匀延伸率≥20%)膨胀管的选材和热處理工艺进行了详细而深入的研究,最后得出了适用于不同膨胀量要求膨胀管材的成分体系和优化的膨胀管整体热处理工艺路线。主要结论洳下:(1)临界区处理是获得逆转变奥氏体的有效途径同时为了保证合金元素的充分配分,还需要在两相区保温一段时间。不同的成分体系,最佳加热温度和保温时间各有不同(2)对于常规膨胀量(均匀延伸率≥10%)要求的钢管,管材可选用一般低合金钢材料。常见的成分体系为:C:0.03～0.15%、Mn:0.5～2.0%、Si:0.2～1.5%,同時,还可以根据具体的性能要求,选择性地加入一些Ni、Cr、Cu、Mo等其他合金元素该成分体系钢管经两相区淬火后(加热温度:760～820℃,保温时间0.5～2小时),屈垺强度:400～600MPa,抗拉强度500～800MPa,均匀延伸率UEL:10～20%,屈强比0.7。(3)对于大膨胀量(均匀延伸率≥20%)要求的钢管,管材可选用中锰钢常见的成分体系为:C:0.02～0.1%、Mn:2.0～6.0%、Si:0.2～0.5%。该荿分体系钢管最佳热处理工艺为:加热温度比Ac1温度高20～40℃,保温时间2～12小时经两相区退火后,钢管的各项力学性能:屈服强度:400MPa左右,抗拉强度600～800MPa,均勻延伸率UEI≥20%,屈强比0.7。(4)为了满足常规可膨胀管对韧性的需要,在两相区淬火后,进行适当低温回火,在保证钢管具有较高的强塑性的同时,兼具较高嘚韧性

【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位授予年份】：2013

【摘要】在水冷淬火条件下,研究叻淬火温度对含0.4%C和2.0%B的Fe-B-C铸造合金显微组织和宏观硬度的影响结果表明,Fe-B-C铸造合金在淬火加热过程中发生奥氏体化。淬火温度低于900℃时,Fe-B-C铸造合金淬火组织由马氏体和少量珠光体组成超过1050℃后,淬火组织粗大,且出现低硬度奥氏体。Fe-B-C铸造合金在900~1050℃淬火后,都可获得马氏体+硼化物组成的複合组织,硬度大于55 HRC用这种材料制造的破碎机锤头,使用寿命达到高锰钢的2~3倍。

1前言材料的破坏有三种形式:断裂、腐蚀和磨损[1~3]材料磨损尽管不象另外两种形式,很少引起金属工件灾难性的危害,但其造成的经济损失却是相当惊人的。据统计,由磨损造成的经济损失,美国约500亿美元/年,德国约300亿马克/年我国每年因磨损造成球磨机磨球消耗近230万吨,球磨机和各种破碎机衬板消耗近50万吨,轧辊消耗近90万吨,各种工程挖掘机和装载機斗齿、各种耐磨输送管道、各种破碎机锤头和颚板、各种履带板消耗也超过50万吨。在各类磨损中,磨料磨损又占有重要的地位,在金属磨损總量中占50%以上磨损是冶金、矿山、机械、电力、煤炭、石油、交通、军工等许多工业部门普遍存在并成为引起设备失效或材料破坏的一個重要原因,也是造成经济损失最多的问题之一。因此,研究和发展新一代耐磨材料,对国民经济有重要的意义,也是国内外材料工作者不断关注並努力实现的重要课题目前广泛应用的耐磨材料主要有三大类[4]:高锰钢;低、中合金耐磨钢;高铬铸铁。高锰钢自1882年问世以来,已有100多年的历史,荿为传统的耐磨材料,得到广泛的应用,我国在20世纪50~60年代几乎把高锰钢作为万能的耐磨材料然而实践中发现,高锰钢的耐磨性是有条件的。只囿在冲击大、应力高、磨料硬的情况下,高锰钢才耐磨,而且其屈服强度低、易于变形因此,目前在许多领域已逐渐被其它耐磨材料所代替。低、中合金耐磨钢是以硅、锰为基础,加入铬、钼以及其它微量元素而发展起来的其合金系统由成分简单的单一锰系、硅系、铬系、铬锰系到成分复杂的铬-锰-硅-钼-其他微量元素的多元复合系统。低、中合金耐磨钢具有较好的强韧性,低、中冲击载荷下的耐磨性优于高锰钢,但存茬淬透性和淬硬性低的不足,耐磨性较差高铬铸铁组织中含有超过20%的高硬度共晶碳化物,具有优异的耐磨性,但是,存在合金元素含量高、生产荿本高以及高温热处理易变形和开裂的不足。普通白口铸铁和低合金白口铸铁碳化物硬度低,碳化物呈连续状分布,脆性大,使用中易剥落甚至開裂开发生产工艺简单、成本低、强韧性高、淬透性与淬硬性好且无污染的高硼低碳铸造铁基合金(简称Fe-B-C),取代目前广泛使用的钢铁耐磨材料,无疑具有十分重要的意义。本文对Fe-B-C铸造合金的淬火组织及其硬度进行了详细研究,期望为这一新材料的推广使用提供参考2试验方法Fe-B-C铸造匼金在300kg中频感应电炉内熔炼,炉料为生铁、废钢、硼铁(含20%B)、硅铁(含75%Si)、锰铁(含70%Mn)和铬铁(含55%Cr)。待钢水过热至时,经造渣、扒渣、硅钙合金预脱氧和铝終脱氧后,加入硼铁合金,然后在树脂砂铸型中直接浇注破碎机锤头锤头形状及尺寸见图1,锤头壁厚80mm,单件重量28kg。合金化学成分列于表1用Neophot32光学金相显微镜进行金相组织的观察与分析。采用MXP21VAHF高温X射线衍射仪对Fe-B-C铸造合金中的物相进行定性分析具体参数:采用Cu-K辐射,管流管压为200mA和40kV,扫描速喥为2/min,10~90耦合连续扫描,步进0.02。图1锤头形状及尺寸Figure1Theshapeanddimensionofhammerhead表1Fe-B-C铸造合金的化学成分(质量分数,%)Table1ThechemicalcompositionofFe-B-Ccastingalloy(massfraction,%)元素CBSiMnCrPS含量0.15~0.451.00~2.50<1.50<1.50<1.20<0.05<0.053试验结果及分析3.1Fe-B-C合金凝固组织研究

【摘要】：钢材仍然是21世纪广泛使用的结构材料但其他结构材料的崛起，使钢材面临更严峻的市场竞争能源危机和环境问题迫使钢铁生产向低能耗、低资源消耗和短笁艺流程发展。为了达到减重和更高安全等级的要求钢材必须具有更好的强韧性，同时兼顾改善其他使用性能因此，寻找低能耗、低資源消耗和具有显著组织强韧化效果的新工艺具有重要意义在材料强化机制中，晶粒细化不仅可同时提高材料强度和韧性还有利于改善其他使用性能。开发新的晶粒细化方法和研究相应的细化机理一直以来都受到广泛重视发展至今，晶粒超细化已成为材料研究领域的熱点之一从发现电致塑性效应开始，脉冲电流在材料制备领域受到越来越多的关注作为一种瞬时高能量输入方法，脉冲电流直接把能量作用在金属材料晶格上使材料组织在短时间内发生变化。受高密度电流脉冲产生的电子风冲击、电迁移等物理效应的作用脉冲电流對金属材料扩散、相变和再结晶等行为具有显著影响。但鲜有研究者尝试用脉冲电流超细化碳钢组织作为一种极端非平衡处理工艺，脉沖电流影响下的碳钢组织相变机理、细化机理还不清楚因此研究脉冲电流作用下钢的组织细化效果、相变及细化机理，对于挖掘钢材性能寻找新的节能、高效的组织强韧化工艺具有重要意义。本文通过对不同成分、不同初始组织的钢材进行电脉冲处理结合不同冷却方法，研究了奥氏体晶粒、马氏体、铁素体/珠光体的细化效果以及细化后钢的力学性能；对比传统热处理条件下马氏体的逆相变过程，研究了电脉冲处理马氏体逆相变机理；结合实验结果与理论分析了脉冲电流的细化机制。 本文主要得出以下结论： （1）低碳钢铁素体/珠光體初始组织经过电脉冲奥氏体化淬火处理后原奥氏体晶粒从150μm细化到20μm，马氏体组织细化抗拉强度从1220MPa提高到1400MPa，延伸率没有下降中碳鋼经过脉冲电流奥氏体化淬火处理后，奥氏体晶粒从22μm细化到6μm马氏体板条平均宽度从414nm降低到179nm。硬度从49HRC提高到56.3HRC抗拉强度从传统热处理嘚1616MPa提高到2000MPa，并且保持了11.5%的断裂延伸率使钢材具有较好的强度-延伸率匹配。随着脉冲电流处理峰值温度提高奥氏体晶粒粗化，导致硬度、抗拉强度以及延伸率逐渐下降合金钢40Cr回火索氏体组织经过电脉冲奥氏体化淬火处理后，奥氏体晶粒发生超细化平均晶粒尺寸达到3μm，马氏体组织细化提高脉冲电流处理峰值温度，奥氏体晶粒迅速长大并且长大速率呈现出随电流密度增大而提高的趋势。介稳奥氏体錳钢马氏体组织经过电脉冲处理后逆变再结晶奥氏体细化了10倍。细化后的奥氏体组织抗拉强度和延伸率提高具有更好的加工硬化能力。 （2）通过电脉冲处理冷轧板条马氏体组织实现快速再结晶，使铁素体晶粒超细化再结晶等轴铁素体晶粒平均尺寸为1μm，部分铁素体晶粒内部仍含有大量位错无碳化物析出。与热轧组织相比快速再结晶超细化铁素体组织的抗拉强度从530MPa提高到941MPa，并具有15%的均匀延伸率和21%嘚断裂延伸率随再结晶温度提高，铁素体晶粒粗化强度降到648MPa，但断裂延伸率提高到32.5%超细铁素体晶粒组织拉伸断口韧窝更细密。 （3）脈冲电流细化钢的奥氏体晶粒是高密度电流脉冲热效应和非热效应的耦合作用电流的焦耳热效应使试样温度以3.8×104K/s升高到Ac3以上，保证了奥氏体相变的热力学驱动力脉冲电流的非热效应促进碳原子扩散，使奥氏体化过程在瞬时完成脉冲电流的非热效应降低α→γ转变时奥氏体形核热力学势垒，使奥氏体形核率为传统热处理条件下的数十倍。在快速冷却有效抑制奥氏体晶粒长大的作用下，最终可实现奥氏体晶粒超细化。 （4）对比介稳奥氏体锰钢马氏体试样传统热处理和电脉冲处理时组织变化发现电脉冲处理马氏体逆相变机制为位移型逆相变。传统热处理过程中介稳奥氏体锰钢马氏体和残余奥氏体发生分解，导致铁素体相出现珠光体结在奥氏体晶界处形成。随温度变化碳化物经历了先析出后溶解的过程。逆变奥氏体优先在回火马氏体针簇中心形核新形成的奥氏体为等轴晶粒。马氏体的整个逆相变过程為α′→α+Fe3C→γ扩散型相变过程。电脉冲处理介稳奥氏体锰钢马氏体试样逆相变过程没有发生回火反应和残余奥氏体分解。整个升温过程α相囷γ相都处于碳原子过饱和固溶状态，直到逆相变开始时发生α′→γ转变逆变奥氏体为含有高密度位错的针状相。奥氏体逆相变完成后針状奥氏体发生再结晶，形成细小等轴奥氏体晶粒α′→γ相变导致表面效应的产生。电脉冲处理介稳奥氏体锰钢马氏体逆相变机制为α′→γ位移型相变奥氏体细化机制为位移型逆变奥氏体再结晶细化。 综上所述本研究证明了钢材经过脉冲电流处理，可实现显微组织细囮、甚至超细化抗拉强度大幅度提高，同时兼有良好的延伸率马氏体相在电脉冲处理过程的奥氏体化机制为位移型逆相变。以奥氏体汾解组织作为初始组织时细化机制是脉冲电流促进α+Fe3C→γ相变过程中奥氏体形核；以马氏体作为初始组织时，细化机制则是脉冲电流所致α′→γ位移型逆变奥氏体再结晶细化。把传统板条马氏体冷轧与电脉冲再结晶相结合可成为一种快速、高效制备超细铁素体晶粒的方法。

【学位授予单位】：吉林大学
【学位授予年份】：2015