蘇禎祺， 徐旋旋， 朱文凱， 趙 宜

(中天鋼鐵集團(tuán)有限公司，江蘇 常州 213011)

引 言

20#鋼由于其韌性高、強(qiáng)度適中、制造方便等特點(diǎn)，成為壓力管道乃至高壓管道的常用材料。某鋼管廠生產(chǎn)20#鋼鋼管工序?yàn)椋涸牧舷铝?Φ50 mm×(1100～1500)mm)→1200℃加熱穿孔軋毛管 →酸洗、磷化、皂化→第一道冷拔(毛管拉拔至Φ42,38,36 mm三種規(guī)格)→第二道冷拔(將第一道拉拔鋼管分別拉拔至Φ34,32,30 mm三種規(guī)格)→矯直→切頭。某批次生產(chǎn)時(shí)，在第一道冷拔過程中的冷拔后期或冷拔剛完成后則出現(xiàn)大量的鋼管脆性開裂現(xiàn)象，或在鋼管堆放過程中因鋼管碰撞或跌落而產(chǎn)生縱向脆性開裂。

1 開裂原因分析

1.1 鋼管開裂宏觀形貌

開裂鋼管裂紋呈長(zhǎng)條、直線狀沿縱向分布，部分地方開裂十分嚴(yán)重，裂紋長(zhǎng)度達(dá)約1000 mm，并貫穿管壁；裂面平直，可見撕裂“人”字紋，屬于一次性瞬時(shí)脆性開裂，如圖1所示。

1.2 裂面微觀形貌

使用蔡司掃描電鏡觀察開裂裂面微觀形態(tài)，分別如圖2,3所示。開裂裂面微觀形貌均為解理脆性斷裂，并存在較多的二次裂紋，解理面上的河流花樣的源頭可見許多細(xì)小的碳氮化物析出相。

圖3 開裂裂面微觀形貌(二)

1.3 化學(xué)成分

在開裂20#鋼鋼管上取樣，使用德國超譜公司QSN750型直讀光譜儀及ON836氣體分析儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1,2所示，可見該批開裂20#鋼鋼管的化學(xué)成分符合GB/T699-2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)要求；微合金元素及有害元素含量非常低，但鋼中氮含量異常偏高，達(dá)到了260×10-6。

表1 20#鋼鋼管的化學(xué)成分/%

表2 20#鋼鋼管的微量元素/%

1.4 力學(xué)性能及硬度測(cè)試

在開裂的20#鋼鋼管上取樣進(jìn)行力學(xué)性能及硬度測(cè)試，結(jié)果如表3所示。表3中給出的標(biāo)準(zhǔn)值為GB/T 699-2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)正火態(tài)20#鋼的拉伸力學(xué)性能規(guī)范要求?？梢婁摴芙?jīng)過冷拔后，鋼管的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及硬度較高，但斷后延伸率遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)要求的下限。

表3 20#鋼鋼管力學(xué)性能及硬度

1.5 鋼管受壓試驗(yàn)

在開裂鋼管上未開裂部位取四節(jié)鋼管，將兩節(jié)鋼管未經(jīng)任何處理而直接放置于試驗(yàn)機(jī)上，由徑向施加壓力，在稍為施加壓力情況下，鋼管便產(chǎn)生了多處縱向開裂，開裂形貌及裂面形貌為脆性開裂，說明該開裂鋼管脆性較大。將另兩節(jié)鋼管在進(jìn)行900 ℃保溫1 h退火后再進(jìn)行壓扁試驗(yàn)，在鋼管壓扁情況下，鋼管都沒有產(chǎn)生開裂，說明經(jīng)過退火可以消除鋼管的脆性，也表明鋼管開裂是非不可逆的開裂(如氫脆)，如圖4所示。

圖4 鋼管壓扁形貌

1.6 金相檢驗(yàn)

從開裂鋼管上切取縱向試樣，經(jīng)磨拋后用ZEISS Axio Imager.A2m光學(xué)顯微鏡觀察，按GB/T10561-2005中的A法進(jìn)行非金屬夾雜物含量的測(cè)定，其結(jié)果為A類 0.5級(jí)，D類1.0級(jí)，未發(fā)現(xiàn)其他大顆粒夾雜物。經(jīng)4%的硝酸酒精腐蝕后檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鋼管橫向顯微組織為鐵素體+珠光體+少量魏氏組織；鋼管縱向顯微組織為沿軋制方向分布的鐵素體和珠光體，未見有其他異常組織，如圖5所示。

圖5 鋼管顯微組織

2 結(jié)果與討論

該鋼管廠長(zhǎng)期采用此工藝制管，冷軋道次及道次變形量沒有變化，冷軋過程的軋制潤(rùn)滑條件良好，而本次供貨中尚有其它多個(gè)批號(hào)的20#鋼，其冷軋工藝相同，但均未產(chǎn)生冷軋脆性開裂的現(xiàn)象，說明是非工藝因素引起的開裂。開裂鋼管經(jīng)過退火可以消除鋼管的脆性，也表明鋼管開裂是非不可逆的開裂(如氫脆)。

從上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，該批開裂20#鋼鋼管的金相組織正常，也未發(fā)現(xiàn)存在大顆粒夾雜物。但該批開裂20#鋼鋼管的化學(xué)成分雖然符合GB/T699-2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)要求，有害元素含量也非常低，而鋼中氮含量異常偏高達(dá)到了260×10-6，大大超出了GB/T699-2015標(biāo)準(zhǔn)的上限(0.008%)，并且鋼中氮結(jié)合元素Nb，V，Ti，Al均非常低，使得氮主要以游離態(tài)型式存在于鋼中。因此可以認(rèn)為是高含量氮引起了鋼管脆性開裂。

氮在鋼中有兩種存在形式:溶于鋼中的游離態(tài)氮原子[N]和與其他元素結(jié)合的氮化物。氮在鋼中的溶解度遵循西瓦特定律：高溫下溶入鋼液的高含量氮能在常溫下留存下來，使之過飽和，成為間隔原子存在于鋼中；氮與鋼中的Nb，V，Al，Ti等合金元素有強(qiáng)的親和力，易形成穩(wěn)定的氮化物或碳氮化物。當(dāng)鋼中添加有Nb，V，Al，Ti 等當(dāng)中某一種元素時(shí)，鋼中游離態(tài)的氮便減少，氮化物數(shù)量增加。如果鋼中含氮量過高，又沒有添加有Nb，V，Al，Ti 等元素，則大量的氮主要以游離態(tài)的型式存在于鋼中。而游離間隙氮是導(dǎo)致鋼產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)效和時(shí)效脆性現(xiàn)象的主要原因之一[1]。

應(yīng)變時(shí)效即鋼在冷加工變形時(shí)，由于氮的作用，使鋼的強(qiáng)度、硬度提高，而塑性與沖擊韌性下降。這種缺陷多發(fā)生在冷軋低碳結(jié)構(gòu)鋼和回火軋制薄板中，并影響產(chǎn)品最終的成型性[2-4]。

產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)效的主要原因是低碳鋼在冷變形過程中，鋼中的間隙原子的擴(kuò)散速率要比置換型溶質(zhì)的大得多，所以間隙小原子與韌位錯(cuò)的交互作用十分強(qiáng)烈，位錯(cuò)脫離釘扎質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)并增殖，在隨后的室溫長(zhǎng)時(shí)間放置或低溫短時(shí)加熱過程中，固溶間隙原子[C]、[N]向位錯(cuò)偏聚形成Cottrell氣團(tuán)釘扎位錯(cuò)，使位錯(cuò)的應(yīng)變能下降，這樣位錯(cuò)的穩(wěn)定性提高了，位錯(cuò)由十分易動(dòng)變得不太容易移動(dòng)，導(dǎo)致位錯(cuò)移動(dòng)困難。隨著位錯(cuò)附近固溶間隙原子的聚集，位錯(cuò)密度較大的晶界處易脆化，導(dǎo)致強(qiáng)度和硬度上升，塑韌性降低。

當(dāng)鋼中游離態(tài)氮原子[N]含量增加時(shí)，鋼中的[N]原子大量分布于韌位錯(cuò)周圍，使位錯(cuò)周圍的[N]濃度明顯高于平均值，甚至可以高到在位錯(cuò)周圍形成碳化物、氮化物的小質(zhì)點(diǎn)，于是鋼的塑性變形抗力(屈服強(qiáng)度)大幅度提高，塑性和韌性嚴(yán)重下降，增大了鋼材的應(yīng)變時(shí)效敏感性和冷脆性。有資料分析了20#鋼鋼管含氮量與彎管處沖擊吸收能量的關(guān)系[5]，雖然鋼材的沖擊吸收能量與鋼的冶煉、元素成分、軋制、熱處理、尺寸等各種因素有關(guān), 但圖6所表現(xiàn)出來的氮含量的主導(dǎo)作用還是顯而易見的，含氮量高于0.008%時(shí)，沖擊吸收能量急劇下降。

圖6 20#鋼鋼管含氮量與彎管處沖擊吸收能量的關(guān)系

本次產(chǎn)生脆性開裂的20#鋼鋼管，鋼中未添加Nb，V，Al，Ti等元素，檢測(cè)出的含量?jī)H為殘余量，鋼管軋制工藝也未出現(xiàn)異常，只有鋼中氮含量異常偏高；異常偏高的氮使鋼管在冷軋過程中產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)變時(shí)效而導(dǎo)致脆性開裂。

3 結(jié)束語

(1) 20#鋼鋼管在冷軋過程產(chǎn)生脆性開裂，是由于鋼中氮含量異常偏高引起嚴(yán)重的應(yīng)變時(shí)效所導(dǎo)致。

(2) 在冶煉20#鋼等管坯鋼時(shí)，須在鐵水、廢鋼、物料添加及LF爐精煉等容易增氮的環(huán)節(jié)做好氮含量監(jiān)控，以避免造成氮偏高引起的質(zhì)量問題。