支澤林 王富岐 陜西省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)所

不銹鋼封頭開裂分析及對策

支澤林 王富岐 陜西省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)所

某封頭廠受壓力容器制造廠委托，壓制了8張材料牌號為304奧氏體不銹鋼橢圓型封頭。經(jīng)檢查，鋼板規(guī)格為6000×1500×10mm和6400×1800×10mm,坯料直徑、外觀質(zhì)量，均滿足成型要求。封頭廠采用兩次冷拉伸成型工藝，在2010年2月7日前壓制完畢并進(jìn)行了切邊，同時(shí)對成型后的封頭進(jìn)行了外觀、形狀、幾何尺寸等檢查，未見異常，遂被制造廠運(yùn)走。在2010年2月12日后，發(fā)現(xiàn)封頭在直邊和圓弧部位沿垂直于封頭端面方向上均出現(xiàn)了開裂，長度約30～200mm，裂縫都為穿透性開裂，其中有一個(gè)封頭出現(xiàn)了20多處。

304奧氏體不銹鋼壓制封頭較普遍，但開裂情況較罕見。為此，本文針對304奧氏體不銹鋼封頭失效情況進(jìn)行分析，找出開裂產(chǎn)生的原因和失效機(jī)理，提出解決對策。

1 檢查與試驗(yàn)

取封頭直邊和圓弧部位沿開裂處，進(jìn)行光譜分析、力學(xué)性能、彎曲性能和金相分析。

1.1 封頭開裂的宏觀形貌

封頭的材料為304，規(guī)格為φ1500×8mm和φ1400×8mm，封頭開裂的宏觀形貌如圖1所示。

圖1 封頭開裂的宏觀形貌

1.2 封頭材料化學(xué)成分

對封頭開裂和未開裂部位進(jìn)行光譜分析，其化學(xué)成分滿足GB24511－95的標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3 金相分析

封頭開裂部位和未開裂部位金相組織如圖2所示，可以看出，兩個(gè)部位的金相組織均為奧氏體和形變馬氏體，晶粒度6～7級，清晰可見。壓制前金相組織應(yīng)該是奧氏體(含孿晶)+碳化物+少量鐵素體。

圖2 封頭的金相顯微組織

1.4 力學(xué)性能分析

力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 力學(xué)性能

根據(jù)GB/T4237-2007，Rm≥520、Rp0.2≥206、A≥40%、力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)果討論

2.1 材料分析

經(jīng)原廠家提供的《產(chǎn)品質(zhì)量證明書》表明交貨狀態(tài)為：固溶、酸洗、熱軋。由于304鋼是奧氏體鋼，應(yīng)該是無磁或弱磁性的，但原材料均呈較強(qiáng)磁性，斷裂端面結(jié)晶狀小刻面，呈“放射狀”。因此材料中可能會(huì)有較多鐵素體或不利于冷成型的馬氏體，材料因受拉應(yīng)力作用沿著某些嚴(yán)格的結(jié)晶學(xué)平面分離的過程，為解理斷口。

2.2 工藝分析

由于冶煉時(shí)成分偏析或軋制后熱處理不當(dāng)，會(huì)造成304不銹鋼中出現(xiàn)少量的馬氏體，化學(xué)成分和力學(xué)性能均有不同程度的超標(biāo)，材料就會(huì)出現(xiàn)磁性，強(qiáng)度高于標(biāo)準(zhǔn)下限值很多。因此已經(jīng)說明原材料的組織發(fā)生了變性，不屬嚴(yán)格意義上奧氏體不銹鋼類別，具備了奧氏體—馬氏體的強(qiáng)度、脆性、磁性的特性，不適合冷成形，或冷加工后做一定處理。

2.3 裂紋發(fā)生原因及失效機(jī)理

奧氏體不銹鋼在經(jīng)過固溶處理后，具有良好的韌性，如若固溶處理不當(dāng)或經(jīng)過其它工藝后，部分奧氏體發(fā)生了組織變化，使材料含有馬氏體且具有磁性，材料強(qiáng)度加大，韌性降低，影響材料的冷拉伸性能，即使化學(xué)成分和力學(xué)性能均在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，也不一定完全滿足封頭冷拉伸成型的需要。在經(jīng)過封頭壓制過程中，再經(jīng)過冷拉伸后，部分奧氏體又轉(zhuǎn)化為馬氏體或鐵素體，材料的強(qiáng)度進(jìn)一步加大，韌性變差，同時(shí)由于冬季，天氣比較冷，在拉伸后，靜置過程中，相當(dāng)于一次簡單熱處理。

馬氏體不銹鋼在正常淬火溫度下處于γ相區(qū)，但γ相僅在高溫時(shí)穩(wěn)定，Ms點(diǎn)一般在300℃左右，冷卻時(shí)轉(zhuǎn)變成為馬氏體，具有較高的強(qiáng)度和磁性，有較好熱加工性，適合采用熱成型。由于它的韌性差，冷加工成型不好，因而馬氏體不銹鋼應(yīng)該采用完全退火熱成型，加熱溫度在850～900℃，成型后空冷。

在奧氏體不銹鋼中含有較多擴(kuò)大γ相區(qū)和穩(wěn)定奧氏體的元素，在高溫時(shí)均為γ相，冷卻時(shí)由于Ms在室溫以下，所以在常溫下具有穩(wěn)定的單相奧氏體組織。由于加熱時(shí)沒有相變發(fā)生，不能通過熱處理相變使之強(qiáng)化，只能通過冷加工變形的方法，利用加工硬化作用提高它們的強(qiáng)度。經(jīng)過固溶處理的奧氏體不銹鋼，由于所有的碳化物充分分散在晶體中，且經(jīng)過快速冷卻又固定在其中，所以具有最低的強(qiáng)度，最高的塑性和優(yōu)良的耐腐蝕性。

該鋼薄板材料冷加工以后，從微觀角度看，滑移面及晶界上將產(chǎn)生大量位錯(cuò)，致使點(diǎn)陣產(chǎn)生畸變。變形量越大時(shí)，位錯(cuò)密度越高，內(nèi)應(yīng)力及點(diǎn)陣畸變越嚴(yán)重，使其強(qiáng)度隨變形而增加，塑性降低(即加工硬化現(xiàn)象)。當(dāng)加工硬化達(dá)到一定程度時(shí)，如繼續(xù)形變，便有開裂或脆斷的危險(xiǎn)；在環(huán)境氣氛作用下，放置一段時(shí)間后，工件會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生晶間開裂(通常稱為“季裂”)。所以304不銹鋼在沖壓成形過程中，一般都必須進(jìn)行工序間的軟化退火(即中間退火)，以降低硬度，恢復(fù)塑性，以便能進(jìn)行下一道加工。304不銹鋼通常用做沖壓板材，其沖壓件上各部分材料的變形程度各不相同，大致在15%～40%之間，因此各部分材料的硬化程度也不一樣。為了選擇其最佳的中間退火工藝，必須對其加工硬化和退火軟化的規(guī)律和機(jī)理進(jìn)行深入的研究。不同溫度、不同拉伸形變量與馬氏體含量的關(guān)系，室溫下(25℃)形變量小于10%時(shí)，304不銹鋼僅有少量的馬氏體相變，當(dāng)形變量在10%～40%之間時(shí)，馬氏體含量隨形變量的增大而增加得較快，馬氏體含量由0.7增至6.8。低溫下馬氏體轉(zhuǎn)變隨拉伸形變量增大而變化較大，形變量在6%以上時(shí)，馬氏體含量就開始迅速增加，形變量為20%時(shí)，馬氏體相變量已達(dá)到23%。同一形變量低溫時(shí)產(chǎn)生的馬氏體量要比室溫時(shí)高得多，可見低溫有利于形變誘發(fā)馬氏體相變，材料經(jīng)160℃下拉伸后，其馬氏體含量沒有變化，說明在這個(gè)溫度下拉伸，304不銹鋼不會(huì)產(chǎn)生形變誘發(fā)的馬氏體相變。

1）奧氏體304不銹鋼在室溫或更低的溫度下進(jìn)行不同形式的冷加工形變均會(huì)產(chǎn)生馬氏體相變。

2）相同的冷加工方式，隨著形變量的增大，馬氏體相變量增加。

3）形變誘發(fā)馬氏體相變中存在高密度的位錯(cuò)，得到的馬氏體組織以板條馬氏體為主。

馬氏體轉(zhuǎn)變符合一般相變的規(guī)律，遵循相變的熱力學(xué)條件，馬氏體相變的驅(qū)動(dòng)力為新相與母相的化學(xué)能之差。在塑性形變的過程中，給體系增加的自由能可以克服兩相轉(zhuǎn)變間的自由能之差，從而導(dǎo)致材料組織結(jié)構(gòu)的變化，從晶體學(xué)角度而言馬氏體相變是一種實(shí)際上沒有擴(kuò)散的點(diǎn)陣畸變的組織轉(zhuǎn)變，它的切變分量和最終的形狀變化應(yīng)當(dāng)使轉(zhuǎn)變過程中動(dòng)力學(xué)及形態(tài)受應(yīng)變能控制，母相與新相之間具有明顯的晶體學(xué)取向關(guān)系。

3 防止對策

1）對于奧氏體-馬氏體不銹鋼，為了安全起見，建議采用熱壓成型工藝，按照恢復(fù)馬氏體組織的溫度要求進(jìn)行相應(yīng)的熱處理，以保證質(zhì)量。

2）冷加工導(dǎo)致304奧氏體不銹鋼位錯(cuò)增加,位錯(cuò)密度隨冷加工變形量的增加而增大。因此，必須提高軋制工藝水平，制定出比較合理的軋制速度、軋制道次、壓下率、軋制油、軋輥材質(zhì)及表面精度參數(shù)。

3)原材料在保證質(zhì)量的前提下，考慮冷加工后進(jìn)行熱處理，避免馬氏體轉(zhuǎn)變后的應(yīng)力腐蝕問題。

1 王立梅.影響冷軋不銹鋼的質(zhì)量、性能因素及預(yù)防措施四.濰坊學(xué)院學(xué)報(bào),2005,5(2)：62－64

2 陸世英.不銹鋼.北京：原子能出版社,1995.183－216

3 劉偉,李志斌,王翔等.應(yīng)變速率對奧氏體不銹鋼應(yīng)變誘發(fā)a’-馬氏體轉(zhuǎn)變和力學(xué)行為的影響.金屬學(xué)報(bào),2009,44(3)：285－291

4 嚴(yán)慕容,陳美貞.退火對304不銹鋼拉伸坯料力學(xué)性能的影響.農(nóng)機(jī)化研究,2002,11(4)：151－153

2013－07－30）