不銹鋼焊管壓扁試驗開裂原因的分析與對策

壓扁試驗是檢驗鋼管質量的方法之一，通過分析壓扁試驗開裂原因來采取相應手段可解決不銹鋼焊管壓扁試驗開裂問題。實驗采用掃描電子顯微鏡（ＳＥＭ）、能譜儀（ＥＤＳ）和金相顯微鏡（ＯＭ）等設備對不銹鋼焊管壓扁試驗開裂的原因主要進行兩方面分析：金相分析和斷口分析。金相分析可得出主要結論，斷口分析驗證金相分析得出最終結論。結果表明：不銹鋼焊管壓扁試驗開裂的主要原因為不銹鋼焊管內存在大量的硅酸鹽類夾雜物，此類夾雜物屬于高溫塑性夾雜物，容易破壞基體的橫向連續性，在壓扁試驗中可引起應力集中，促使裂紋的形成，導致鋼管開裂。不銹鋼焊管開裂的次要原因為試樣存在帶狀組織且鐵素體晶界處還分布著網狀三次滲碳體，三次滲碳體塑性差，壓扁時會進一步加劇裂紋的擴展。通過分析開裂的原因進而對不銹鋼焊管生產工藝進行優化，經過鋼包精煉爐（ＬＦ）精煉與控軋控冷技術可減少鋼中夾雜物，進而改善不銹鋼焊管壓扁開裂問題，使鋼管失效率下降，提高不銹鋼焊管的質量。

隨著我國工業的快速發展，對于鋼材的質量要求也越來越嚴格。其中一般結構管，如一般建筑物、土建工程、鐵塔等鋼管作為建筑行業的基本材料，主要通過壓扁試驗、力學拉伸試驗和高溫疲勞試驗等測試手段來評定不銹鋼焊管的質量。其中壓扁試驗是檢驗管材在給定條件下壓扁變形而不出現裂紋缺陷的極限塑性變形能力，其優點在于可以快速得出檢驗結果。某鋼管廠生產的２６．８ｍｍ不銹鋼焊管，在壓扁試驗中開裂，導致鋼管銷售量急劇下降。本文通過檢驗壓扁后鋼管的開裂和形變程度，進行綜合分析找出開裂原因，優化相關操作與工藝，從而提高鋼管的性能指標。

１實驗材料與方法

此試驗材料為國內某鋼管廠產品，所使用的鋼材為Ｑ２３５Ｂ普通碳素結構鋼經熱軋制而成，規格為外徑２６．８ｍｍ，壁厚２．７５ｍｍ。Ｑ２３５Ｂ使用８０ｔ的氧氣頂吹轉爐（ＢＯＦ）進行冶煉，該廠并未使用鋼包精煉爐（ＬＦ）精煉手段，連鑄坯的斷面尺寸為１８０ｍｍ×１５００ｍｍ。其化學成分如表１所示，鋼板生產工藝及性能參數如表２所示。不銹鋼焊管生產流程為煉鋼→連鑄→熱軋→酸洗→縱剪→卷曲成型→測壓裝置→焊接→去內外毛刺→冷卻→定頸→切管。該鋼管的化學成分符合ＧＢ／Ｔ６９９—２００８《優質碳素鋼》標準要求。

用該鋼管制取拉伸試樣，試樣類型為管段試樣，按ＧＢ／Ｔ２２８．１—２０１０《金屬材料拉伸試驗第１部分：室溫試驗方法》標準進行測試，結果符合標準中的要求，如表３所示。

對鋼管開裂部位進行切割取樣，分別切取橫截面與縱截面，如圖１所示。用工具將裂紋處打開制備成斷口試樣。將制備好的試樣進行磨拋、超聲清洗、烘干，使用掃描電子顯微鏡、能譜儀、金相顯微鏡等儀器進行綜合分析，并將試樣用４％的硝酸酒精腐蝕后利用金相顯微鏡觀察其組織。

２實驗結果與分析

２．１金相分析

利用ＪＥＭ－２８００Ｆ聚焦離子束－電子束雙束電鏡及能譜儀（美國ＦＥＩ儀器有限公司）對橫截面與縱截面進行觀察與分析，發現裂紋深度可達０．６ｍｍ，裂紋附近存在鏈條狀夾雜物，裂紋長度寬窄不一，部分裂紋長度可達１ｍｍ；對夾雜物進行成分分析，發現其主要含有Ｏ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃａ、Ｍｎ等元素。根據ＧＢ／Ｔ１０５６１—２００５《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》標準對該夾雜物進行分類與評級，評級結果如表４所示。試樣橫裂紋與縱裂紋夾雜物形貌與成分如圖２、圖３所示。

從圖２中可以看出夾雜物的主要成分為ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｎＯ等Ｃ類夾雜物，同時也發現裂紋的擴展是沿著夾雜物的方向進行。對縱截面試樣中大量存在的長條狀夾雜物能譜分析發現此類夾雜物也是Ｃ類夾雜物。Ｃ類硅酸鹽夾雜物屬于塑性夾雜物，在軋制過程中會碾壓成長條狀，破壞鋼的橫向連續性、降低鋼的加工性能。金屬材料受力斷裂的形成可分為３個階段：裂紋萌生、裂紋擴展、斷裂。當鋼管中存在大量硅酸鹽類夾雜物時，試樣在進行壓扁試驗中會在夾雜物處產生微裂紋，當形變達到一定值時會出現開裂缺陷。大量的硅酸鹽條狀夾雜，一方面破壞金屬基體，使金屬基體不連續，另一方面，夾雜物與基體界面處是應力集中區，容易在載荷作用下萌生裂紋，當載荷增加到一定值時，微裂紋將不斷進行擴展，最終造成試樣斷裂。硅酸鹽類夾雜物的主要成分為ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３與ＭｎＯ；ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３與ＭｎＯ夾雜物產生的主要原因是鋼利用鋁脫氧和使用硅鐵、錳鐵合金作為添加劑時形成高溫塑性夾雜物，此類夾雜物的大量存在將嚴重影響鋼管的橫向力學性能。大量硅酸鹽類夾雜物的存在也是造成鋼管壓扁試驗開裂的主要原因。

用４％的硝酸酒精腐蝕后利用蔡司金相顯微鏡觀察試樣的組織大小及成分，根據ＧＢ／Ｔ６３９４—２０１７《金屬平均晶粒度測定方法》標準中比較法對試樣進行評級，結果顯示為８．０級。組織成分主要為鐵素體＋珠光體，存在帶狀組織，沒有發現魏氏組織。根據晶粒大小與成分可以判定試樣沒有過熱、過燒等情況。對金相試樣進行觀察時發現在鐵素體晶界處分布著明顯的三次滲碳體組織，相互連接包圍著鐵素體晶粒，形成近似于網狀的組織，如圖４所示。根據鐵碳相圖可知，試驗鋼屬于亞共析鋼，在共析轉變時珠光體中的鐵素體依附在先共析鐵素體上生長，當繼續冷卻時，使得鐵素體中析出的三次滲碳體在晶界上分布。

文獻表明，造成壓扁試驗試樣不合格的金相組織有帶狀組織、魏氏組織和三次滲碳體組織等。帶狀組織形成的主要原因為成分偏析與熱加工溫度不當，當鋼中夾雜物含量較多時，夾雜物可作為先共析鐵素體形核的核心，先共析鐵素體在夾雜物周圍形成，而奧氏體則轉變為珠光體形成帶狀組織，夾雜物引起的帶狀組織會破壞鋼基體的連續性，造成鋼管壓扁試驗工藝的不合格。魏氏組織是在軋制過程中冷卻速度過快或加熱溫度過高而造成的，魏氏體的組織特征為粗大的奧氏體晶粒內存在大量平行的鐵素體，魏氏體組織不僅晶粒粗大，而且大量的片狀鐵素體使鋼材的力學性能急速下降。對試樣的顯微組織觀察中沒有發現魏氏組織，但存在帶狀組織與三次滲碳體組織。

由于滲碳體的硬度值很高，脆性較大，強度和塑形較低，伸長率幾乎為０，因此低碳鋼的塑性變形主要發生在鐵素體中，在鋼受到載荷作用時滲碳體阻礙了基體的變形能力。當鐵素體變形受到三次滲碳體的阻礙時，位錯就在滑移面阻礙前堆積起來，使得應力集中，當應力達到基體的強度極限時，發生開裂。三次滲碳體的產生與冷卻溫度有關，在終軋到卷曲溫度之間發生共析反應，如果此時冷卻速度過慢出現緩冷現象，則加劇三次滲碳體的析出。

２．２斷口分析

用工具將裂紋處打開制成斷口試樣，通過掃描電鏡與金相顯微鏡對試樣進行觀察與分析發現，裂紋為木紋層狀斷口形貌，表面有很多縱向分布的裂紋，屬于典型的層狀斷裂形貌，說明存在帶狀組織。對縱向分布的裂紋進行放大觀察，發現斷口內是縱向分布的夾雜物，對夾雜物進行能譜分析，發現其主要成分為ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３與ＭｎＯ，與金相樣品中存在的長條狀夾雜物成分一致，如圖５所示。經分析可知，裂紋萌生處有大量縱向分布的長條狀夾雜物，裂紋從此處產生，在隨后的過程中裂紋擴展，最終開裂，缺陷的斷口形貌分析結果驗證了金相試驗分析的結果。

３小結

通過以上分析發現，造成試驗鋼不合格的主要原因為基體中存在著大量硅酸鹽類夾雜物，次要原因為存在帶狀組織且晶界處有較多的三次滲碳體，使得基體的塑性變差，加劇了壓扁試驗開裂的產生。針對以上試樣不合格原因，提出以下改進措施。

（１）使用ＬＦ精煉設備減少鋼液的夾雜物，進一步提高鋼水質量，提高鋼液的純凈度。

（２）優化煉鋼工藝，保護澆注，防止二次氧化，減少Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２夾雜物的生成。

（３）嚴格控制軋制過程中的冷卻速度，避免緩冷現象，定期檢查風機是否故障，減少網狀三次滲碳體的析出量。

４改進后的效果

通過ＬＦ精煉爐處理后的產品，其性能得到有效改善，對產品的抽查過程中沒有發現壓扁試驗開裂現象，通過金相分析發現試樣內的硅酸鹽類夾雜物明顯減少，Ｃ類夾雜物等級在１．５級以下。帶狀組織與網狀三次滲碳體的析出量也有所下降，網狀三次滲碳體等級在０．５級左右。