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    無縫不鏽鋼管表麵裂紋分析

    作者:admin 來源: 日期:2018/12/13 23:15:20 人氣:83

    針對06Cr18Ni11Ti無縫不鏽鋼管的外部焊縫附近發現的表麵裂紋,結合材料力學性能、化學成分、腐蝕性能以及焊縫附近裂紋擴展形態、金相組織、氧化物形貌、微區成分等微觀組織結構進行了深入探討。結果表明:06Cr18Ni11Ti鋼管材質正常,各項性能指標符合要求。裂紋距焊縫熱影響區外邊緣約2mm,且裂紋符合典型折疊缺陷特征,是由於鋼管在熱加工過程中表麵未清理幹淨造成的,與焊接工藝無關,同時提出管材加工改進建議。

    06Cr18Ni11Ti不鏽鋼是在Cr-Ni基奧氏體不鏽鋼基礎上添加Ti元素,從而提高其抗晶間腐蝕性能、高溫力學性能、焊接性能,目前被廣泛用於各種中低壓鍋爐的換熱器、煙管、蒸汽管、沸水管等結構管件[1-6],該類鋼管在使用過程中也會經常發生失效現象[7-11]。某廠在進行ϕ80mm×8mm規格管件焊接作業時,發現管件號為ED7-1的一根支管,在焊縫附近的外表麵出現一條肉眼可見的條狀線性裂紋。本文以該裂紋為研究對象,分別采用NCSNT100單軸拉伸試驗機進行宏觀力學性能測試,用ZEISS40MAT金相顯微鏡觀察裂紋截麵金相組織,利用HITACHIS4300冷場發射掃描電鏡進行微觀組織觀察與EDS能譜分析,深入探討裂紋產生的原因。

    1裂紋宏觀特征

    煉製的06Cr18Ni11Ti無縫不鏽鋼管經過冶煉、熱鍛(熱擠壓)、軋製等工藝,製成ϕ110mm×10mmϕ90mm×4mmϕ80mm×8mm等多種規格,交貨狀態為經固溶處理、酸洗加工後的鋼管。采用體視顯微鏡檢查ED7-1樣品裂紋處外表麵,如圖1所示。測量的裂紋距焊接熱影響區2mm左右,長度約7mm。其他部位未見異常。

    2試驗結果

    2.1化學分析結果

    對管件進行隨機取樣,按照國標GB/T111702008方法進行化學分析,化學成分技術要求與檢測結果如表1所示。結果表明,其CSiMnPSNiCrTiCoB等元素符合技術標準要求。

    2.2力學性能分析

    2.2.1拉伸性能無縫不鏽鋼的室溫與高溫拉伸試驗結果如圖2所示,通過單軸拉伸試驗曲線可以看出,管材的室溫抗拉強度可以達到600MPa,屈服強度為230MPa,斷後伸長率在50%以上。經350℃高溫拉伸後,抗拉強度仍然可以達到400MPa,屈服強度也高於180MPa,同時具有35%的斷後伸長率,表明強度與塑性指標均滿足或高於技術要求(技術要求指出室溫抗拉強度高於500MPa,斷後伸長率在40%以上;350℃高溫拉伸抗拉強度高於350MPa,斷後伸長率在25%以上)。

    2.2.2擴口與壓扁試驗

    按照GB/T242標準,采取冷切割方式截取部分管材樣品,擴口試驗采用頂芯角β=60°的圓錐頂芯,擴口率Xd30%,試驗後管壁未發現裂紋和開裂現象,如圖3a)所示。按GB/T246壓扁試驗規定進行的兩階段試驗表明,管材表麵未發現分層或明顯不均勻,如圖3b)所示。

    2.3晶間腐蝕性能

    按照GB/T43342008標準規定,分別切取管材內外表麵樣品進行晶間腐蝕試驗。結果表明,腐蝕後樣品表麵光滑,未發現因晶間腐蝕而產生的裂紋傾向,如圖4所示。

    2.4金相分析

    5給出了樣品裂紋橫截麵整體形貌拚圖,可以看出,裂紋擴展方向並非垂直於管材表麵,而是呈傾斜形態與表麵夾角約20°銳角,裂紋縱深長度約1.1mm,尖端距管材表麵約200μm。同時可以清晰地看出,裂紋內部有明顯分叉現象,並且裂紋左右兩側並不能完整咬合,說明並非因應力產生的撕裂裂紋,如圖5a)所示。采用10%草酸水溶液對不鏽鋼電解腐蝕,腐蝕過後發現裂紋附近晶粒為較完整等軸晶粒,已經無拉長形貌,且內壁兩側存在一層附著物,如圖5b)所示。經過整體浸蝕後,母材、焊接區域與熱影響區晶粒清晰可見,裂紋尖端與熱影響區外邊緣間距約2mm。因此ED7-1焊縫附近裂紋位於母材表麵而非焊縫或熱影響區部位,如圖5c)所示。金相試驗結果說明,裂紋的起源並非焊縫位置,而是遠離熱影響區的母材部位,因此焊接工藝不是造成材料失效及裂紋產生的直接原因。此外,裂紋周圍並未發現有引起開裂的夾雜物,也無流變的組織特征,裂紋附近與基體均為等軸晶粒組織,並無因拉應力作用而產生的拉長晶粒出現,進一步表明裂紋並非是由應力產生的撕裂裂紋。

    2.5掃描電鏡分析

    為進一步確定造成材料產生裂紋的直接原因,對樣品裂紋進行掃描電鏡觀察與分析,如圖6a)所示。可以看出,除前期肉眼可見總長約7mm的宏觀裂紋,裂紋一端具有常見於連鑄坯、鍛件、冷軋等加工過程出現的輕微起皮特征[9-11]。分別在無裂紋區域、裂紋端頭、裂紋邊緣區域進行成分檢測分析,結果表明,其成分組成均為國家產品技術要求範圍以內的CFeNiSiCrMnTi06Cr18Ni11Ti不鏽鋼常規元素,同時在裂紋附近多點檢測也未發現元素偏析現象,以及大型氣泡、疏鬆、夾雜物顆粒等缺陷。裂紋形貌與成分分析如圖6b)、6c)所示。

    將裂紋橫截麵進行鑲嵌,分析裂紋內壁兩側附著物屬性,結果如圖7所示。可見,裂紋截麵內壁兩側分布著一層厚度不均且並無晶粒取向特性的附著物,經能譜掃描分析,可見裂紋內壁為含OCrFe等元素的氧化物,而這些Cr類氧化物是在高溫加工過程中由於管材表麵未清理幹淨而發生氧化後的產物。同時,圖7b)中出現的AuSiCa等元素譜峰,均是樣品在拋光、噴金等製備過程中外部引入的異物。

    2.6裂紋形成原因分析

    將裂紋沿裂紋折疊方向打開進行觀察,發現微觀組織結構清晰,存在均勻分布帶有大量長條狀或塊狀組織的原有裂紋區域以及具有典型韌窩組織特征的新斷裂區域,如圖8所示。原有裂紋內部觀察可知其表麵均勻分布大量長條或塊狀組織,如圖8a)所示。進一步高倍觀察及能譜分析可知,這種不規則長條或塊狀組織為典型FeCr類氧化物組織,如圖8b)、8d)所示。而新斷裂區域為由於管材本身具有良好的塑性,微觀形貌為典型拉長韌窩組織,如圖8c)所示。試驗結果表明,管材裂紋內部夾雜著一層FeCr類氧化物,與裂紋截麵掃描分析結果一致。進一步證明裂紋內部氧化物是在前期高溫鍛造時由於材料表麵發生了氧化,且在後期未清洗處理幹淨,導致在後續的軋製或者鍛造過程中氧化物被壓入到材料內部而形成折疊裂紋。

    3分析與討論

    裂紋距焊接熱影響區約2mm,如圖5c)所示。在微觀檢查中,裂紋附近未發現具有焊接熱影響區或焊縫特征組織,表明裂紋產生位置為不鏽鋼管材表麵,與焊接工藝本身無關。

    通過裂紋橫截麵金相觀察,可見裂紋擴展方向並非垂直於材料表麵縱深發展,而是沿內表麵約20°方向,縱深長度約1.1mm。裂紋尖端距材料表麵約200μm,呈傾斜形態,且內部有分叉現象。裂紋兩側紋路並不規則,因此判定並非是因受到應力而產生的應力斷裂裂紋。掃描電鏡結果如圖6所示,裂紋處具有明顯且常見於連鑄坯、鍛件、軋製件的典型起皮特征。對其附近基體進行能譜分析,譜峰顯示均為材料成分內元素,未發現SbSnPbCeBi等特殊有害元素,成分合格,且性能正常。

    裂紋內部存在薄膜狀氧化物,證明裂紋產生是由氧化物造成的。而氧化物含有Cr,則說明氧化物在高溫過程中產生;裂紋延伸長度距離表麵位置較短,則進一步說明最初這些氧化物均在材料的初始表麵形成,後期加工進入材料內部;結合高溫、氧化、裂紋擴展的長度特征可判斷,隻能是在鍛造或者軋製過程中產生。裂紋具體形成過程為:不鏽鋼在軋製或者鍛造熱加工時將表麵附著未清理幹淨的氧化物軋入到鋼的淺表層,並在後續的鍛造過程中發生起皮現象,形成折疊裂紋。

    除表麵金屬氧化的因素外,折疊缺陷的形成還與原材料和坯料的形狀、模具的形狀、成形工序的安排、潤滑情況及鍛造的實際操作等有關。折疊缺陷通常具有如下特征:(1)折紋擴展趨勢與周圍金屬變形流線一致;(2)缺陷斜向擴展,與表麵呈小角度;(3)缺陷呈星角狀,尖端比較圓鈍;(4)裂紋兩側不能完整匹配;(5)缺陷表麵以氧化為主,沒有斷裂形態[12-14]。本文分析的缺陷形態符合上述特征,故可推斷鋼管的表麵裂紋屬於在熱加工過程中形成的折疊缺陷。

    4結論

    (1)煉製的06Cr18Ni11Ti管材具有良好的力學性能與塑性變形能力,各項性能指標均符合國家標準及廠家技術規範要求。

    (2)裂紋為典型折疊裂紋,與鋼管本身材質無關,屬於熱加工時外部因素產生的熱加工缺陷。

    (3)建議管材在熱加工過程避免出現加熱不均勻現象,同時磨床修磨與人工修磨相結合,使得修磨更加徹底,避免整體粗磨時掩蓋缺陷的問題。

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