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无缝不锈钢管表面裂纹分析

作者:admin 来源: 日期:2018/12/13 23:15:20 人气:90

针对06Cr18Ni11Ti无缝不锈钢管的外部焊缝附近发现的表面裂纹,结合材料力学性能、化学成分、腐蚀性能以及焊缝附近裂纹扩展形态、金相组织、氧化物形貌、微区成分等微观组织结构进行了深入探讨。结果表明:06Cr18Ni11Ti钢管材质正常,各项性能指标符合要求。裂纹距焊缝热影响区外边缘约2mm,且裂纹符合典型折叠缺陷特征,是由于钢管在热加工过程中表面未清理干净造成的,与焊接工艺无关,同时提出管材加工改进建议。

06Cr18Ni11Ti不锈钢是在Cr-Ni基奥氏体不锈钢基础上添加Ti元素,从而提高其抗晶间腐蚀性能、高温力学性能、焊接性能,目前被广泛用于各种中低压锅炉的换热器、烟管、蒸汽管、沸水管等结构管件[1-6],该类钢管在使用过程中也会经常发生失效现象[7-11]。某厂在进行ϕ80mm×8mm规格管件焊接作业时,发现管件号为ED7-1的一根支管,在焊缝附近的外表面出现一条肉眼可见的条状线性裂纹。本文以该裂纹为研究对象,分别采用NCSNT100单轴拉伸试验机进行宏观力学性能测试,用ZEISS40MAT金相显微镜观察裂纹截面金相组织,利用HITACHIS4300冷场发射扫描电镜进行微观组织观察与EDS能谱分析,深入探讨裂纹产生的原因。

1裂纹宏观特征

炼制的06Cr18Ni11Ti无缝不锈钢管经过冶炼、热锻(热挤压)、轧制等工艺,制成ϕ110mm×10mmϕ90mm×4mmϕ80mm×8mm等多种规格,交货状态为经固溶处理、酸洗加工后的钢管。采用体视显微镜检查ED7-1样品裂纹处外表面,如图1所示。测量的裂纹距焊接热影响区2mm左右,长度约7mm。其他部位未见异常。

2试验结果

2.1化学分析结果

对管件进行随机取样,按照国标GB/T111702008方法进行化学分析,化学成分技术要求与检测结果如表1所示。结果表明,其CSiMnPSNiCrTiCoB等元素符合技术标准要求。

2.2力学性能分析

2.2.1拉伸性能无缝不锈钢的室温与高温拉伸试验结果如图2所示,通过单轴拉伸试验曲线可以看出,管材的室温抗拉强度可以达到600MPa,屈服强度为230MPa,断后伸长率在50%以上。经350℃高温拉伸后,抗拉强度仍然可以达到400MPa,屈服强度也高于180MPa,同时具有35%的断后伸长率,表明强度与塑性指标均满足或高于技术要求(技术要求指出室温抗拉强度高于500MPa,断后伸长率在40%以上;350℃高温拉伸抗拉强度高于350MPa,断后伸长率在25%以上)。

2.2.2扩口与压扁试验

按照GB/T242标准,采取冷切割方式截取部分管材样品,扩口试验采用顶芯角β=60°的圆锥顶芯,扩口率Xd30%,试验后管壁未发现裂纹和开裂现象,如图3a)所示。按GB/T246压扁试验规定进行的两阶段试验表明,管材表面未发现分层或明显不均匀,如图3b)所示。

2.3晶间腐蚀性能

按照GB/T43342008标准规定,分别切取管材内外表面样品进行晶间腐蚀试验。结果表明,腐蚀后样品表面光滑,未发现因晶间腐蚀而产生的裂纹倾向,如图4所示。

2.4金相分析

5给出了样品裂纹横截面整体形貌拼图,可以看出,裂纹扩展方向并非垂直于管材表面,而是呈倾斜形态与表面夹角约20°锐角,裂纹纵深长度约1.1mm,尖端距管材表面约200μm。同时可以清晰地看出,裂纹内部有明显分叉现象,并且裂纹左右两侧并不能完整咬合,说明并非因应力产生的撕裂裂纹,如图5a)所示。采用10%草酸水溶液对不锈钢电解腐蚀,腐蚀过后发现裂纹附近晶粒为较完整等轴晶粒,已经无拉长形貌,且内壁两侧存在一层附着物,如图5b)所示。经过整体浸蚀后,母材、焊接区域与热影响区晶粒清晰可见,裂纹尖端与热影响区外边缘间距约2mm。因此ED7-1焊缝附近裂纹位于母材表面而非焊缝或热影响区部位,如图5c)所示。金相试验结果说明,裂纹的起源并非焊缝位置,而是远离热影响区的母材部位,因此焊接工艺不是造成材料失效及裂纹产生的直接原因。此外,裂纹周围并未发现有引起开裂的夹杂物,也无流变的组织特征,裂纹附近与基体均为等轴晶粒组织,并无因拉应力作用而产生的拉长晶粒出现,进一步表明裂纹并非是由应力产生的撕裂裂纹。

2.5扫描电镜分析

为进一步确定造成材料产生裂纹的直接原因,对样品裂纹进行扫描电镜观察与分析,如图6a)所示。可以看出,除前期肉眼可见总长约7mm的宏观裂纹,裂纹一端具有常见于连铸坯、锻件、冷轧等加工过程出现的轻微起皮特征[9-11]。分别在无裂纹区域、裂纹端头、裂纹边缘区域进行成分检测分析,结果表明,其成分组成均为国家产品技术要求范围以内的CFeNiSiCrMnTi06Cr18Ni11Ti不锈钢常规元素,同时在裂纹附近多点检测也未发现元素偏析现象,以及大型气泡、疏松、夹杂物颗粒等缺陷。裂纹形貌与成分分析如图6b)、6c)所示。

将裂纹横截面进行镶嵌,分析裂纹内壁两侧附着物属性,结果如图7所示。可见,裂纹截面内壁两侧分布着一层厚度不均且并无晶粒取向特性的附着物,经能谱扫描分析,可见裂纹内壁为含OCrFe等元素的氧化物,而这些Cr类氧化物是在高温加工过程中由于管材表面未清理干净而发生氧化后的产物。同时,图7b)中出现的AuSiCa等元素谱峰,均是样品在抛光、喷金等制备过程中外部引入的异物。

2.6裂纹形成原因分析

将裂纹沿裂纹折叠方向打开进行观察,发现微观组织结构清晰,存在均匀分布带有大量长条状或块状组织的原有裂纹区域以及具有典型韧窝组织特征的新断裂区域,如图8所示。原有裂纹内部观察可知其表面均匀分布大量长条或块状组织,如图8a)所示。进一步高倍观察及能谱分析可知,这种不规则长条或块状组织为典型FeCr类氧化物组织,如图8b)、8d)所示。而新断裂区域为由于管材本身具有良好的塑性,微观形貌为典型拉长韧窝组织,如图8c)所示。试验结果表明,管材裂纹内部夹杂着一层FeCr类氧化物,与裂纹截面扫描分析结果一致。进一步证明裂纹内部氧化物是在前期高温锻造时由于材料表面发生了氧化,且在后期未清洗处理干净,导致在后续的轧制或者锻造过程中氧化物被压入到材料内部而形成折叠裂纹。

3分析与讨论

裂纹距焊接热影响区约2mm,如图5c)所示。在微观检查中,裂纹附近未发现具有焊接热影响区或焊缝特征组织,表明裂纹产生位置为不锈钢管材表面,与焊接工艺本身无关。

通过裂纹横截面金相观察,可见裂纹扩展方向并非垂直于材料表面纵深发展,而是沿内表面约20°方向,纵深长度约1.1mm。裂纹尖端距材料表面约200μm,呈倾斜形态,且内部有分叉现象。裂纹两侧纹路并不规则,因此判定并非是因受到应力而产生的应力断裂裂纹。扫描电镜结果如图6所示,裂纹处具有明显且常见于连铸坯、锻件、轧制件的典型起皮特征。对其附近基体进行能谱分析,谱峰显示均为材料成分内元素,未发现SbSnPbCeBi等特殊有害元素,成分合格,且性能正常。

裂纹内部存在薄膜状氧化物,证明裂纹产生是由氧化物造成的。而氧化物含有Cr,则说明氧化物在高温过程中产生;裂纹延伸长度距离表面位置较短,则进一步说明最初这些氧化物均在材料的初始表面形成,后期加工进入材料内部;结合高温、氧化、裂纹扩展的长度特征可判断,只能是在锻造或者轧制过程中产生。裂纹具体形成过程为:不锈钢在轧制或者锻造热加工时将表面附着未清理干净的氧化物轧入到钢的浅表层,并在后续的锻造过程中发生起皮现象,形成折叠裂纹。

除表面金属氧化的因素外,折叠缺陷的形成还与原材料和坯料的形状、模具的形状、成形工序的安排、润滑情况及锻造的实际操作等有关。折叠缺陷通常具有如下特征:(1)折纹扩展趋势与周围金属变形流线一致;(2)缺陷斜向扩展,与表面呈小角度;(3)缺陷呈星角状,尖端比较圆钝;(4)裂纹两侧不能完整匹配;(5)缺陷表面以氧化为主,没有断裂形态[12-14]。本文分析的缺陷形态符合上述特征,故可推断钢管的表面裂纹属于在热加工过程中形成的折叠缺陷。

4结论

(1)炼制的06Cr18Ni11Ti管材具有良好的力学性能与塑性变形能力,各项性能指标均符合国家标准及厂家技术规范要求。

(2)裂纹为典型折叠裂纹,与钢管本身材质无关,属于热加工时外部因素产生的热加工缺陷。

(3)建议管材在热加工过程避免出现加热不均匀现象,同时磨床修磨与人工修磨相结合,使得修磨更加彻底,避免整体粗磨时掩盖缺陷的问题。