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0Cr20Mn21Ni2N奥氏体不锈钢锻件组织性能研究

无磁钻铤是现代油气资源开采随钻测量技术中*为重要的井下部件之一，其服役环境对其制备材料的强度、韧性和硬度等都有非常高的指标要求。近几十年来，随着N合金化奥氏体不锈钢的冶炼和制备技术的发展，这种材料逐渐取代传统的300系不锈钢、Monel合金等材料成为高性能无磁钻铤的首要候选材料。在Cr-Mn-N不锈钢无磁钻铤的工业化生产过程中，铸造态钢锭一般均需要经过快锻机开坯和径锻机终锻成型两步，从而得到符合尺寸规格要求的粗加工锻坯产品。然而由于锻件尺寸较大，其内部不同部位在热变形过程中的温度场、应力场状态都有较大差异，导致锻件不同部位的微观组织和力学性能均存在一定差异。因此，对无磁钻铤用0Cr20Mn21Ni2N奥氏体不锈钢锻件内部不同部位的微观形貌和力学性能进行了研究。
　　

采用热力学软件Thermal-Calc对不同N含量的试验钢成分体系和平衡态相图进行了理论计算。在此基础上，通过加压熔炼的方法制备了N含量为0.62%的质量约48.5kg的试验钢铸锭（表1）。熔炼过程中通过N合金的适量加入来控制终点N含量，试验钢经充分脱氧，出炉时将浇铸温度控制在较低水平以避免铸态组织柱状晶过于粗大。铸锭去除表面氧化皮后经过锻造开坯加工成60mm×60mm的方坯，后在980℃下锻造为Φ46mm的圆棒，终锻变形量约为15.4%（表2）。根据前期研究工作的结果，锻造的温度范围规避了有害中间相可能产生的敏感温度区间，确保了锻造过程的顺利完成和较高的锻造成材率，同时保证了较为理想的形变强化效果。

研究了无磁钻铤用0Cr20Mn21Ni2N奥氏体不锈钢圆棒锻件横截面的室温强度、硬度和韧性等力学性能，并从微观角度进行分析。在圆棒表层区域观察到了锻造变形态晶粒组织，而直径四分之一区域为再结晶组织，平均晶粒尺寸为80μm，芯部再结晶晶粒粗化为150μm，这些差异由不同的变形温度和降温速度造成的。这种组织差异导致的室温拉伸性能和冲击韧性也有相应的变化趋势。研究结果表明，在900、1000℃以0.5s-1的应变速率下压缩的0Cr20Mn21Ni2N试验钢样品，其应力曲线具有一定的加工硬化特征，其芯部硬度比应变速率为0.1s-1的样品分别提升了28、15HB。在700、800℃以20%以上的变形量进行压缩时，峰值抗力显著提高，而在900、1000℃以10%～50%的变形量进行压缩时，峰值抗力均无明显提高，可保证顺利的变形过程。

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