陳茂敬 岳好明 亓俊鴻

(山東泰山鋼鐵集團有限公司新材料研究所，山東 271100)

某客戶對規(guī)格為8.00 mm×1 250 mm 的J4奧氏體不銹鋼熱軋黑皮卷在未經(jīng)退火的條件下使用，在卷管(管徑325 mm)焊接過程中出現(xiàn)沿焊管軸向向內(nèi)延伸開裂現(xiàn)象，裂紋最長超過700 mm。圖1 為試樣開裂形貌。為找到開裂原因，我們做了一系列分析檢驗工作，并提出了預(yù)防開裂的措施。

1 試驗方法

(1)對J4 焊管開裂試樣進行宏觀形態(tài)觀察、化學(xué)成分檢測、(縱向)力學(xué)性能檢測、金相組織分析、顯微硬度檢測分析、斷口電鏡能譜微區(qū)分析、X 光衍射儀馬氏體含量測定分析。

(2)金相試樣的截取見圖1 所示。金相試樣沿裂紋處磨制橫向、縱向試樣，斷口試樣沿長裂紋處截取，化學(xué)成分試樣、X 光衍射儀分析試樣隨意截取。

2 檢測結(jié)果

2.1 宏觀分析

如圖1 所示，裂紋垂直于焊管徑向彎曲面，沿焊管軸向向內(nèi)延伸，同時均為沿外弧面向基體延伸，最長超過700 mm。

2.2 化學(xué)成分分析

各元素化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，見表1。

2.3 試樣力學(xué)性能檢測

試樣縱向力學(xué)性能見表2。因該試樣未經(jīng)固溶處理，延伸率較低。

試樣顯微硬度值見表3 所示。靠近焊管外弧面縱向裂紋兩側(cè)硬度值較高，依次向里逐漸降低，主要是形變誘發(fā)馬氏體所致。

2.4 焊管開裂試樣組織分析

圖1 焊管開裂形貌Figure 1 Cracking appearance of weldedpipe

表1 試樣化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of specimen(mass fraction，%)

表2 試樣縱向力學(xué)性能Table 2 Longitudinal mechanical property of specimen

如圖2 所示，試樣基體組織為奧氏體+少量鐵素體+馬氏體，大量碳化物沿晶界、基體析出;內(nèi)弧面晶界明晰、變形較小，外弧面晶界不清、變形較大。

表3 試樣顯微硬度值HV0.2Table 3 Micro hardness value HV0.2 of specimen

如圖3 所示，焊管開裂試樣裂紋主要是沿晶裂紋，同時也有穿晶裂紋存在。

如圖4 所示，夾雜物以A(細(xì)2.0 級)、C(細(xì)1.5 級)類為主，級別較高。

2.5 斷口電鏡能譜微區(qū)分析

圖2 試樣金相組織 1000×Figure 2 Metallographic structure of specimen 1000×

圖3 裂紋組織形貌Figure 3 Crack structure appearance

圖4 夾雜物形貌Figure 4 Inclusion appearance

圖5 斷口試樣微區(qū)形貌Figure 5 Micro appearance of fracture specimen

圖5(a)所示為斷裂源附近斷口形貌，韌窩底部有大量夾雜物顆粒，碳化物沿晶界、基體析出，數(shù)量較多。從圖5(b)和表4 的分析結(jié)果可看出，譜圖1 位置微區(qū)分析結(jié)果主要是Cr 的復(fù)合碳化物。

表4 試樣定量分析結(jié)果(%)Table 4 Quantitative analysis results of specimen %

2.6 X 光衍射儀組織含量分析

利用X 光衍射儀對J4 焊管試樣進行馬氏體含量測定，試樣不同部位衍射峰值見圖6。輕微磨除外表面氧化鐵皮，測定表面馬氏體平均含量為12%;橫斷面處測定馬氏體含量為20%;將外表面磨除約1 mm 后測定該部位馬氏體含量為2%。

圖6 試樣不同部位衍射峰值Figure 6 Diffraction peak of various positions of specimen

3 裂紋成因及改進措施

3.1 J4 焊管裂紋形成原因

鋼板在卷管過程中外表面受拉應(yīng)力，內(nèi)表面受壓應(yīng)力，中心為中性層不受力，在焊管卷管應(yīng)力作用下會產(chǎn)生應(yīng)力集中，焊管裂紋沿軸向開裂，與焊管彎曲受力面相垂直。

在未經(jīng)退火處理條件下，對J4 熱軋黑皮卷進行冷卷管焊接加工，會使材料敏化態(tài)嚴(yán)重、碳化物無法固溶到基體里面，特別是沿晶析出大量的碳化物比基體硬，不會變形，這會導(dǎo)致裂紋的萌生，嚴(yán)重降低材料的塑性，且有利于晶間裂紋的擴展，會產(chǎn)生應(yīng)力集中(一般來說碳化物應(yīng)力集中系數(shù)為3.3～3.7)，降低材料的塑性。當(dāng)材料在應(yīng)力集中處所受應(yīng)力超過材料外表面的許用應(yīng)力，就會使材料發(fā)生脆性斷裂，之后逐步向里延伸致使焊管開裂。通過金相分析、斷口電鏡能譜微區(qū)分析發(fā)現(xiàn)，缺陷試樣敏化狀態(tài)嚴(yán)重，大量脆性碳化物沿晶界、基體析出，裂紋沿碳化物開裂。

另外在卷管加工過程中形變誘發(fā)馬氏體，通過X 光衍射儀檢測確認(rèn)焊管試樣內(nèi)馬氏體含量高達20%，會使材料產(chǎn)生加工硬化、硬度升高、塑性進一步降低。

3.2 改進措施

不銹鋼中奧氏體數(shù)量主要受化學(xué)成分的影響，從目前生產(chǎn)工藝來看，不可能實現(xiàn)100%奧氏體。從X 光衍射儀檢測情況看鐵素體含量應(yīng)低于2%，避免形變誘發(fā)馬氏體也不可能實現(xiàn)。

因此，要使焊管卷取成型，需在碳化物析出前進行層流冷卻，以保證不析出碳化物，在使用前進行固溶處理以保證酸洗后不形成網(wǎng)狀裂紋。

4 結(jié)論

(1)焊管試樣開裂的主要原因是:材料處于嚴(yán)重敏化狀態(tài)，即晶界、基體上析出Cr 的碳化物過于嚴(yán)重，加上形變誘發(fā)馬氏體的大量產(chǎn)生，導(dǎo)致材料的塑性降低，在焊管殘余應(yīng)力作用下，使焊管沿管口位置軸向延伸開裂。

(2)在使用前進行固溶處理，使其碳化物充分溶解可避免此類事故。

［1］候增壽，樊東黎，主編.中國機械工程學(xué)會熱處理專業(yè)分會《熱處理手冊》編委會編.熱處理手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2001.

［2］崔約賢，王長利.金屬斷口分析.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2006.

［3］鐘群鵬，趙子華.斷口學(xué).北京:高等教育出版社，2006.