供稿|武晶晶，蘇麗鳳 / WU Jing-jing, SU Li-feng

內(nèi)容導讀

文章基于光學顯微鏡和掃描電鏡觀察法研究了鎳基合金管材軋后裂紋產(chǎn)生的原因，并基于有限元(FEM)建立了鎳基合金管材軋制缺陷模型。結(jié)果表明：鎳合金管材缺陷為裂紋型缺陷，裂紋萌生于外表面，沿壁厚呈現(xiàn)之字形擴展。鎳基合金缺陷處的晶粒度為10級，正常區(qū)域處的晶粒度為8級；鎳基合金裂紋面出現(xiàn)了分層的現(xiàn)象，各層之間清晰可見，屬于脆性斷裂。建立的鎳基合金管材軋制模型與前期實驗結(jié)果基本一致，可為尋找鎳基合金管材軋制開裂提供參考。

鎳基合金因具有有效的抗應力腐蝕、抗氧化性，在室溫和高溫的苛刻環(huán)境中具有優(yōu)異的力學性能，廣泛應用于化工和航海設(shè)備中的加熱管、熱交換器和蒸發(fā)器等結(jié)構(gòu)材料[1]。兩輥周期式軋制因軋制精度高、軋后表面控制良好的特點，廣泛地應用于鎳基合金管材生產(chǎn)過程中。鎳基合金產(chǎn)品軋制后的質(zhì)量直接決定后期鎳基合金管材生產(chǎn)的成品率和表面質(zhì)量。西部金屬材料股份有限公司生產(chǎn)的鎳基合金軋制后出現(xiàn)了沿著鎳管長度方向的之字形裂紋缺陷，其具體形貌如圖1—3所示。國內(nèi)外對鎳管軋制后形成裂紋的原因研究較少，現(xiàn)有文獻主要描述鎳合金焊接或者熱處理不當造成的焊接或熱處理缺陷[3-5]，鮮有對鎳合金管材軋制開裂原因進行分析。有限元(FEM)理論是模擬物體受力或者變形過程的一種方法，廣泛應用于材料加工過程中的受力分析。本文分析了鎳基合金管材缺陷形貌，并用FEM理論對鎳基合金缺陷形成的過程進行形象化驗證，從而確定鎳基合金管材內(nèi)壁折疊形成的機理。為提高鎳基合金管材軋制成品率，確保鎳管的安全和質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

圖1 鎳管軋后表面裂紋缺陷形貌

圖2 鎳管外表面缺陷光學形貌

圖3 鎳管內(nèi)表面缺陷光學形貌

實驗方法

金相組織

選用軋制后含有缺陷的鎳合金管材進行金相組織觀察。將管材壁厚依次通過400#、600#、1000#及1200#拋光。之后采用體積分數(shù)為10%的磷酸對試樣進行電解腐蝕，隨后在奧林巴斯GX51型光學顯微鏡上沿著試樣壁厚內(nèi)層、中層和外層觀察其金相組織。

缺陷形貌

沿著鎳基合金管材裂紋擴展方向?qū)α鸭y進行剝離，采用S-3400型掃描電鏡對鎳基合金缺陷斷口部位進行形貌觀察，電鏡的工作電壓為3.00 kV。

建立FEM模型

設(shè)置管材軋制過程為彈塑性變形，軋輥和芯棒設(shè)置為剛體模型，忽略其軋輥和芯棒的變形。先采用制圖軟件分別繪制含有缺陷的坯料、芯頭和孔型3D圖形，隨后將3D圖形導入到FEM分析軟件中，對坯料、芯頭和孔型進行網(wǎng)格劃分；然后設(shè)置管坯、芯頭和孔型的材料參數(shù)、軋制溫度、各接觸面摩擦因數(shù)及運動軌跡；最后對管材軋制過程進行反復求解，輸出管坯軋制變形圖。

結(jié)果與分析

缺陷組織形貌

圖4為鎳合金管材缺陷斷面組織形貌圖。從圖4(a)可見，鎳合金管材缺陷為裂紋缺陷，裂紋萌生于管材壁厚外表面，沿著之字形裂紋從外表面沿著壁厚方向進行擴展。從圖4(b)可見，鎳合金管材萌生和擴展區(qū)域處的晶粒度為10級，而鎳合金管材壁厚正常區(qū)域處的晶粒度為8級，所以鎳合金管材壁厚處的晶粒度組織差異是缺陷產(chǎn)生的原因。

圖4 鎳合金管材缺陷形貌

電鏡形貌

圖5為鎳基合金裂紋缺陷剝離面電鏡形貌圖。從圖5中可見，鎳基合金裂紋面出現(xiàn)了分層的現(xiàn)象，各層之間清晰可見，屬于脆性斷裂。這與前期金相組織觀察是一致的。

FEM模型分析

圖5 鎳基合金裂紋缺陷剝離面電鏡形貌

基于FEM原理建立鎳基合金管材缺陷軋制模型，其模擬缺陷產(chǎn)生的過程如圖6所示。管材中存在組織不均勻缺陷，管材模型如圖6(a)所示。這種含有缺陷的管材進行軋制時，因管材受到軋制應力的作用，缺陷沿著缺陷處萌生，進而服從最小應力法則出現(xiàn)之字形擴展，具體形貌如圖6(b)和圖6(c)所示。這些模擬結(jié)果與實際理論結(jié)果是一致的，所以建立的鎳基合金管材軋制模型與前期實驗結(jié)果基本一致，可為尋找鎳基合金管材軋制開裂提供參考。

結(jié)束語

(1) 鎳合金管材缺陷為裂紋型缺陷，裂紋萌生于外表面，沿壁厚呈現(xiàn)之字形擴展。鎳基合金缺陷處的晶粒度為10級，正常區(qū)域處的晶粒度為8級。

(2) 鎳基合金裂紋面出現(xiàn)了分層的現(xiàn)象，各層之間清晰可見，屬于脆性斷裂。

(3) 建立的鎳基合金管材軋制模型與前期實驗結(jié)果基本一致，可為尋找鎳基合金管材軋制開裂提供參考。

圖6 鎳基合金管材缺陷軋制模型