陳坤，陳培敦，王俊海

（山東泰山鋼鐵集團有限公司，山東 萊蕪 271100）

低鎳奧氏體不銹鋼焊管開裂原因分析

陳坤，陳培敦，王俊海

（山東泰山鋼鐵集團有限公司，山東 萊蕪 271100）

通過對開裂樣品進行化學成分、力學性能、金相組織、斷口掃描電鏡能譜分析及X射線衍射分析，探討了用低鎳奧氏體不銹鋼制作焊管產生裂紋的原因。結果表明，焊管開裂的原因是材料未經固溶處理、晶界存在大量碳化物以及形變誘發(fā)產生大量馬氏體所致。通過控制終軋溫度（890℃），軋后快冷到700℃以下，可避免碳化物的大量析出，最好再進行熱退火酸洗固溶處理。

低鎳奧氏體不銹鋼；焊管；開裂；碳化物；固溶處理

近些年，國內市場大量使用以錳代鎳的鉻錳氮低鎳不銹鋼鋼種，稱之為“200系列”鋼種。該鋼種主要是在印度J4不銹鋼基礎上調整成分開發(fā)的，此類不銹鋼常溫條件下與常規(guī)18-8型不銹鋼相似，組織為奧氏體，具有很弱磁性，具有良好的強度和一定條件下的耐腐蝕性能，但其加工性能與常規(guī)的Cr-Ni型奧氏體不銹鋼有明顯的差異[1]。本研究針對某焊管廠生產的低鎳以錳氮代鎳焊管開裂缺陷樣品進行分析，找出其成因，提出控制措施。

1 焊管開裂情況

某焊管廠采用8.00 mm×1 250 mm規(guī)格低鎳奧氏體不銹鋼熱軋黑皮卷，不進行退火，直接卷管（直徑325 mm），在卷管焊接過程中出現沿焊管軸向開裂的現象，裂紋垂直于焊管徑向彎曲面，沿焊管軸向向里延伸，裂紋最長超過700 mm（見圖1）。

對焊管開裂部位取樣進行宏觀形態(tài)觀察，化學成分、力學性能檢測，金相組織、顯微硬度檢測分析，斷口電鏡能譜微區(qū)分析，用D/meX-rc型陽極轉靶X射線衍射儀分析測定馬氏體含量。

圖1 焊管開裂形貌

2 試驗結果

1）化學成分。鋼板化學成分檢測結果見表1。目前該鋼種尚無統(tǒng)一的國家標準，一般各個企業(yè)執(zhí)行各自的企業(yè)標準。從表中成分來看，化學成分符合控制范圍要求，也與市場流通的同類產品的化學成分接近。

表1 焊管開裂試樣化學成分％

2）力學性能。拉伸試驗結果表明，焊管縱向試樣RP0.2為603.3（695、675、440）MPa，Rm為895.5（920、855、910）MPa，A為25.7％（26％、20％、31％）。與常規(guī)18-8型不銹鋼相比，因試樣未經固溶處理，焊管縱向試樣的強度高、延伸率低。在開裂部位，沿厚度方向測試鋼板的硬度，靠近焊管外弧面縱向裂紋兩側HV0.2分別為480、473，中心位置HV0.2為441，而靠近焊管內弧面HV0.2為412。靠近焊管外弧面縱向裂紋兩側硬度值較高，依次向里逐漸降低。

3）金相分析。金相分析表明，基體組織為奧氏體+少量鐵素體+馬氏體，大量碳化物沿晶界、基體析出，內弧面晶界明晰，變形較小，外弧面晶界不清，變形較大，如圖2所示。裂紋主要是沿晶開裂、同時也有穿晶裂紋存在，如圖3所示。夾雜物以A類、C類為主，級別較高，A類夾雜物達到2.5級，具體評級結果見表2，典型夾雜物形貌見圖4。

4）電鏡能譜微區(qū)分析。裂紋源附近斷口形貌如圖5a所示。韌窩底部有大量夾雜物顆粒，碳化物沿晶界、基體析出數量較多。對斷口表面進行掃描電鏡能譜分析，分析譜圖1（見圖5b）位置微區(qū)成分，結果見表3，主要是Cr的復合碳化物。由于試樣在現場存放時間較長，斷口存在氧化層，故微區(qū)成分分析顯示氧含量較高。

圖2 焊管試樣金相組織1 000×

圖3 焊管開裂試樣裂紋形貌

圖4 夾雜物形貌

表2 夾雜物評級情況

圖5 斷口形貌及微區(qū)分析對應點

表3 譜圖1位置能譜微區(qū)成分％

5）X光衍射儀組織含量分析。利用D/meX-rc型陽極轉靶X射線衍射儀對焊管試樣進行馬氏體含量分析測定。輕微磨除外表面氧化鐵皮，測定表面馬氏體平均含量為12％；測定橫斷面處馬氏體含量為20％。將外表面磨除約1 mm后，測定該部位馬氏體含量為2％。

3 結果討論

3.1 焊管裂紋形成原因

鋼板在卷管過程中外表面受拉應力，內表面受壓應力，中心不受力。焊管在卷管應力作用下會產生應力集中，焊管裂紋沿軸向開裂，與焊管彎曲受力面相垂直。焊管廠在未經退火處理的條件下，對熱軋黑皮卷進行冷卷管焊接加工，碳化物未固溶于基體，會在碳化物附近產生應力集中，降低材料的塑性。通過金相分析、斷口電鏡能譜微區(qū)分析發(fā)現，缺陷試樣敏化狀態(tài)嚴重，大量脆性碳化物沿晶界、基體析出，裂紋沿碳化物擴展。

通過X射線衍射儀檢測確認，焊管試樣內馬氏體含量高達20％，說明在卷管加工過程中形變誘發(fā)馬氏體相變。制管過程中使材料產生加工硬化，硬度升高，塑性進一步降低。

3.2 形變馬氏體轉變

奧氏體不銹鋼材料加工硬化主要原因[2]：加工過程中發(fā)生形變誘導馬氏體轉變。馬氏體轉變存在兩個臨界溫度即Ms和Md。Ms是在冷卻過程中開始產生馬氏體轉變的最高溫度；Md是指由冷變形誘發(fā)馬氏體轉變的最高溫度。Ms和Md都直接受合金成分的影響。合金元素（Co除外）都不同程度降低馬氏體點。形變馬氏體（α'）形成的Ms（α'）和Md（α'，30/50）與合金成分關系的經驗公式為[4]：

根據表1中的化學成分計算，焊接開裂試樣的Ms（α'）為-23.84℃，Md（α'，30/50）為73.06℃。馬氏體轉變溫度過高（一般18-8型不銹鋼的形變馬氏體轉變溫度＜30℃），材料在冷加工變形過程中產生強烈的加工硬化，引起材料強度升高、塑性降低。

3.3 改進措施

綜合以上分析，避免焊管開裂的主要措施是提高材料的塑性，材料在使用前進行固溶處理。但是目前一些企業(yè)出于降低成本的考慮，焊管前不進行固溶處理，僅在焊管后進行固溶處理[3]。這就要求鋼板生產企業(yè)，在鋼板生產過程中，控制碳化物的析出，滿足部分企業(yè)不固溶使用的特殊要求。根據對J4不銹鋼中碳化物析出規(guī)律的試驗結果，將終軋溫度控制到890℃以上，軋后快速冷卻到700℃以下，可避免碳化物的大量析出。最好再進行熱退火酸洗固溶處理，可完全消除碳化物析出。

通過優(yōu)化成分設計，Md（α＇，30/50）轉變溫度降低到了常規(guī)18-8型不銹鋼的水平?？煽刂评浼庸み^程中形變誘導馬氏體轉變的量，從而減緩材料的加工硬化程度。

4 結論

4.1 焊管開裂的主要原因是：材料處于嚴重敏化狀態(tài)，即晶界、基體上析出大量Cr的碳化物，加上形變誘發(fā)產生大量馬氏體，導致材料的塑性降低，在焊管殘余應力作用下，使焊管沿管口位置軸向延伸開裂。

4.2 用戶在采購過程中應明確用途和加工過程，鋼鐵生產企業(yè)根據終端用戶需求確定生產工藝。用戶在使用過程應了解低鎳奧氏體不銹鋼的特性，避免出現加工質量問題。

[1]李巖，張有余，朱亮，等.低鎳奧氏體不銹鋼熱變形性能及氮的影響[J].軋鋼，2008，25（3）：11.

[2]楊卓越，王建，陳嘉硯.304奧氏體不銹鋼熱誘發(fā)馬氏體相變研究[J].材料熱處理學報，2008，29（1）：98.

[3]李鈞.YGA201不銹鋼的合金化研究[D].上海：上海交通大學，2009.

[4]中國特鋼企業(yè)協(xié)會不銹鋼分會.不銹鋼實用手冊[M].北京：中國科學技術出版社，2003.

Cracking Reason Analysis of Welded Pipe with Low-nickel Austenite Stainless Steel

CHEN Kun,CHEN Pei-dun,WANG Jun-hai
（Shandong Taishan Iron and Steel Group Corporation,Laiwu 271100,China）

In order to analyze the cracking reason of welded pipe with low-nickel austenite stainless steel,the chemical composition and mechanical properties of cracking simple were analyzed and the metallurgical structure,energy spectrum and fractography were tested with scanning electron microscope and X-ray diffraction analysis.The results showed that it is caused by the material without solution treatment,so lots of carbides on the grain boundary,and a large of martensite produced by deformation.Controlling the finishing rolling temperature(890℃),and accelerating cooling to 700℃after rolling can avoid a great deal of carbide precipitation.The solution treatment by annealing is the best measure.

low-nickel austenite stainless steel;welded pipe;cracking;carbide;solution treatment

TG115.2

A

1004-4620（2011）04-0030-03

2011-03-14

陳坤，男，1972年生，2004年畢業(yè)于山東大學材料工程專業(yè)，工程碩士?，F為山東泰山鋼鐵集團有限公司技術部副部長，工程師，從事工藝管理和產品研發(fā)工作。