文献解读：回火工艺在稀土合金化套管钢力学性能与抗硫化物应力腐蚀中的作用机制
由于浅层油气资源的日益枯竭，深层和超深层含硫油气藏正逐步成为新的开发重点，这一趋势使得套管钢在高温高压且在H2S环境中要具备更高的安全性。现有研究表明，稀土元素在晶界及基体界面处具有改善组织稳定性和耐蚀性的作用，因而逐渐采取合金化稀土元素用于提升套管钢抗开裂性能。然而，由于稀土在钢中的固溶度有限，过量添加可能导致夹杂物的生成，使其与回火工艺之间的协同调控成为关键问题。
针对这一点，Zhou等人以110ksi级稀土微合金化套管钢为研究对象，主要分析了高温回火过程中的显微组织演变与力学性能变化，并通过双悬臂梁实验评价其抗硫化物应力腐蚀开裂性能，结合断口学分析揭示了相应的断裂机理。
一、实验方法
研究以宝钢生产的C110套管钢为对象，分别制备了稀土（Ce、La）微合金化和未添加稀土的材料，将稀土（Ce和La）微合金化钢与未添加稀土的对照钢在930℃下奥氏体化30min，水冷，之后分别在700℃和710℃回火120min，最后空冷。根据稀土元素的加入情况，两组钢材分别命名为“Tube-”和“Retube-”，并在名称后附加回火温度标识。研究过程中开展了拉伸、显微硬度和双梁楔形开裂试验，并按照NACE TM0177标准评估抗硫化物应力腐蚀能力。材料的显微组织和位错特征通过XRD、SEM、TEM和EBSD等方法进行表征，实验结果用于计算临界应力强度因子KISSC。
表1. 套管钢的化学成分
图1. 示意图：（a）热轧与热处理工艺流程；（b）管材中DCB试样的位置及DCB试验的实验装置，并附有已测试DCB试样的照片（其中RD、ND和TD分别表示轧制方向、法向和横向）；（c） 马氏体或铁素体的XRD谱图
二、实验结果
2.1 力学性能、DCB实验结果及显微组织
图2. 力学性能和抗SSC性能的柱状图
表2. 试验钢的力学性能和KISSC平均值及其标准偏差
力学性能与抗SSC测试结果表明，700℃回火样品强度和显微硬度高于710℃回火样品，而抗SSC能力相反，710℃回火的Tube-710和RETube-710样品在DCB试验中表现最佳。较高回火温度降低硬度，且稀土加入对硬度影响有限。
图3. （a1–d1）为样品在ND-TD平面的EBSD取向图，（a2–d2）为显示回火马氏体的SEM二次电子图像，对应的高倍图（红色虚线框）见（a3–d3），（a4–d4）为显示显微硬度压痕区域的光学显微镜（OM）图像
图4. 各试样先前奥氏体晶粒的金相显微图及对应晶粒尺寸统计图，其中（a）为Tube-700，（b）为Tube-710，（c）为RETube-700，（d）为RETube-710样品
2.2 显微组织演化与元素分布
显微组织分析结果表明，所有试样均呈现分级回火马氏体特征，先前奥氏体晶粒被划分为板条群和块体，块体内部的板条基本呈平行排列。观察SEM和OM图发现，基体主要由等轴铁素体、回复的板条马氏体以及分布于晶界和板条内部或边界处的渗碳体组成，其中部分渗碳体呈球状并位于晶界位置。尽管在回火过程中渗碳体发生了一定程度的粗化，但淬火态的板条取向在回火后基本得以保留。统计分析结果表明，稀土微合金化（RETube样品）能够有效促进晶粒细化，其平均晶粒尺寸由Tube样品的约18μm减小至约15μm。
图5. TEM明场（BF）显微图显示了整体微观结构（a1–d1）、马氏体形貌（a2–d2）及位错分布（a3–d3）
图6. （a）（110）、（b）（200）和（c）（211）峰的XRD衍射图，以及（d）Williamson-Hall图，以确定位错密度
TEM和XRD分析显示，700℃回火样品中板条群由平行块体或亚块体构成，板条边缘位错密度高且沿板条界排列整齐，而710℃回火样品中马氏体充分回复，位错结构疏松且亚晶界模糊。XRD衍射结合Williamson-Hall法计算表明，Tube-700和RETube-700样品的位错密度分别为7.13×103/nm2和7.62×103/nm2，随回火温度升高下降至6.09×103/nm2和5.72 × 103/nm2，表明高温回火可有效降低位错密度，改善组织稳定性。
图7-10显示了四种试样（Tube-700、Tube-710、RETube-700、RETube-710）中马氏体板条群被三重结分隔的STEM HAADF明暗场（BF/DF）图像及对应EDS元素分布；图11为四种试样的析出物分布统计图，显示710℃回火样品中细小析出物比例高于700℃回火样品
由图7-10分析可知，碳化物主要富集Cr、Mn、Mo和V，RETube样品中还观测到含Ce的合金碳化物，说明稀土实现了微合金化，粗化的Cr/Mn和Mo/V碳化物主要分布于三重结和块界处，考虑到稀土在夹杂物改性和钢液净化中的消耗，部分溶解于碳化物的稀土可能低于EDS检测限，图11为四种试样的TEM明场像及析出物分布统计，710℃回火样品中小于30nm的细小析出物比例（74%和78%）高于700℃回火样品（70%和67%），发现高温回火能够有效诱导细小析出物的形成。
2.3 断口形貌
图12-15 （a） DCB试样Tube-700、Tube-710、RETube-700、RETube-710半片断裂面的全景图，（b） （a）中红色小框标出的裂纹阶梯区，（c） （b）中绿色框标出的裂纹阶梯放大图，（d） （a）中红色大框标出的腐蚀区向应力开裂区的过渡区，（e） （d）中蓝色小框标出的应力开裂区放大图，（f） 整个DCB试样照片，（g） （d）中蓝色大框标出的腐蚀区放大图，（h, i, j） （g）区域的EDS元素分布图及谱图
图12-15为DCB试样的断口宏观形貌及EDS分析结果。断口表面在V形裂纹区顶部有一层腐蚀产物，局部放大观察发现有着明显的裂纹台阶及高度差异，过渡区域则是由腐蚀区向应力裂纹区的转变。同时伴随有大量微裂纹的产生，放大后可看出沿晶（IG）与穿晶（TG）断裂特征。图12f-15f为试样的整体形貌，可以观察到其表面腐蚀产物呈颗粒状聚集。EDS分析结果表明，该腐蚀产物主要由非化学计量比铁硫化物（FexSy）及Fe2O3组成。
2.4 晶体学特征
图16. （a, e）Tube-700,（b, f） Tube-710,（c, g） RETube-700,（d, h）RETube-710试样的KAM图和再结晶图，其中分别给出了KAM与数量分数的关系，以及插图中的堆叠柱状图
图16a-d显示四种试样的核平均取向差（KAM）分布，反映局部晶格取向梯度，可用于评估局部塑性应变和位错密度，插图直方图显示710℃回火样品在0°-1°范围的KAM数量分数更高；在图16e-h的再结晶分布图中，亚结构晶以黄色标识，再结晶晶粒以蓝色标识，变形晶粒则以红色标识，插图柱状图表明710℃回火样品亚结构晶比例高于700℃回火样品，同时随回火温度升高残余变形晶粒比例降低。
三、结论
此研究通过高温回火调控套管钢的力学性能与SSC抗裂性，结果显示稀土微合金化的RETube样品在700℃和710℃回火条件下均具有更高强度和显微硬度，高温回火虽略降低力学性能，但显著提升KISSC值，表明SSC抗裂性主要由微观结构控制而非单纯强度决定；马氏体淬火后继承奥氏体合金元素，形成高位错密度的细薄板条结构，回火过程中板条内位错密度下降，板条界消失，等轴铁素体生成，710℃回火样品可见宽化板条界和均匀等轴铁素体，更为均匀的显微结构能够有效增强对硫化物应力开裂的抵抗性。微观缺陷影响SSC主要通过位错、晶粒和析出物作用，位错作为氢可逆陷阱，其密度下降可降低氢致脆化，RE元素细化奥氏体晶粒和碳化物，形成有效氢陷阱，高温回火促使析出物均匀分布、纳米析出物比例增加，增强氢捕获并阻碍裂纹扩展；裂纹行为显示SSC断裂为晶间/穿晶混合模式，伴次生微裂纹，晶界易为裂纹源，RE偏析可清洁晶界、增强结合力，提高微裂纹抵抗能力；总体而言，高温回火结合稀土微合金化可优化板条马氏体结构、细化晶粒与析出物、降低位错密度，使钢材在保持强度的同时显著提升SSC抗裂性能。
文献信息
Zhou G ,Cao G ,Dong X , et al.Tailoring the mechanical property and sulfide stress corrosion cracking resistance of rare earth doped casing steel by tempering treatment[J].Corrosion Science,2025,245112699-112699.
