低鎳奧氏體不銹鋼焊管開裂原因分析

陳坤，陳培敦，王俊海

（山東泰山鋼鐵集團(tuán)有限公司，山東 萊蕪 271100）

低鎳奧氏體不銹鋼焊管開裂原因分析

陳坤，陳培敦，王俊海

（山東泰山鋼鐵集團(tuán)有限公司，山東 萊蕪 271100）

通過對(duì)開裂樣品進(jìn)行化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織、斷口掃描電鏡能譜分析及X射線衍射分析，探討了用低鎳奧氏體不銹鋼制作焊管產(chǎn)生裂紋的原因。結(jié)果表明，焊管開裂的原因是材料未經(jīng)固溶處理、晶界存在大量碳化物以及形變誘發(fā)產(chǎn)生大量馬氏體所致。通過控制終軋溫度（890℃），軋后快冷到700℃以下，可避免碳化物的大量析出，最好再進(jìn)行熱退火酸洗固溶處理。

低鎳奧氏體不銹鋼；焊管；開裂；碳化物；固溶處理

近些年，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)大量使用以錳代鎳的鉻錳氮低鎳不銹鋼鋼種，稱之為“200系列”鋼種。該鋼種主要是在印度J4不銹鋼基礎(chǔ)上調(diào)整成分開發(fā)的，此類不銹鋼常溫條件下與常規(guī)18-8型不銹鋼相似，組織為奧氏體，具有很弱磁性，具有良好的強(qiáng)度和一定條件下的耐腐蝕性能，但其加工性能與常規(guī)的Cr-Ni型奧氏體不銹鋼有明顯的差異[1]。本研究針對(duì)某焊管廠生產(chǎn)的低鎳以錳氮代鎳焊管開裂缺陷樣品進(jìn)行分析，找出其成因，提出控制措施。

1 焊管開裂情況

某焊管廠采用8.00 mm×1 250 mm規(guī)格低鎳奧氏體不銹鋼熱軋黑皮卷，不進(jìn)行退火，直接卷管（直徑325 mm），在卷管焊接過程中出現(xiàn)沿焊管軸向開裂的現(xiàn)象，裂紋垂直于焊管徑向彎曲面，沿焊管軸向向里延伸，裂紋最長(zhǎng)超過700 mm（見圖1）。

對(duì)焊管開裂部位取樣進(jìn)行宏觀形態(tài)觀察，化學(xué)成分、力學(xué)性能檢測(cè)，金相組織、顯微硬度檢測(cè)分析，斷口電鏡能譜微區(qū)分析，用D/meX-rc型陽極轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀分析測(cè)定馬氏體含量。

圖1 焊管開裂形貌

2 試驗(yàn)結(jié)果

1）化學(xué)成分。鋼板化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果見表1。目前該鋼種尚無統(tǒng)一的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，一般各個(gè)企業(yè)執(zhí)行各自的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。從表中成分來看，化學(xué)成分符合控制范圍要求，也與市場(chǎng)流通的同類產(chǎn)品的化學(xué)成分接近。

表1 焊管開裂試樣化學(xué)成分％

2）力學(xué)性能。拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，焊管縱向試樣RP0.2為603.3（695、675、440）MPa，Rm為895.5（920、855、910）MPa，A為25.7％（26％、20％、31％）。與常規(guī)18-8型不銹鋼相比，因試樣未經(jīng)固溶處理，焊管縱向試樣的強(qiáng)度高、延伸率低。在開裂部位，沿厚度方向測(cè)試鋼板的硬度，靠近焊管外弧面縱向裂紋兩側(cè)HV0.2分別為480、473，中心位置HV0.2為441，而靠近焊管內(nèi)弧面HV0.2為412?？拷腹芡饣∶婵v向裂紋兩側(cè)硬度值較高，依次向里逐漸降低。

3）金相分析。金相分析表明，基體組織為奧氏體+少量鐵素體+馬氏體，大量碳化物沿晶界、基體析出，內(nèi)弧面晶界明晰，變形較小，外弧面晶界不清，變形較大，如圖2所示。裂紋主要是沿晶開裂、同時(shí)也有穿晶裂紋存在，如圖3所示。夾雜物以A類、C類為主，級(jí)別較高，A類夾雜物達(dá)到2.5級(jí)，具體評(píng)級(jí)結(jié)果見表2，典型夾雜物形貌見圖4。

4）電鏡能譜微區(qū)分析。裂紋源附近斷口形貌如圖5a所示。韌窩底部有大量夾雜物顆粒，碳化物沿晶界、基體析出數(shù)量較多。對(duì)斷口表面進(jìn)行掃描電鏡能譜分析，分析譜圖1（見圖5b）位置微區(qū)成分，結(jié)果見表3，主要是Cr的復(fù)合碳化物。由于試樣在現(xiàn)場(chǎng)存放時(shí)間較長(zhǎng)，斷口存在氧化層，故微區(qū)成分分析顯示氧含量較高。

圖2 焊管試樣金相組織1 000×

圖3 焊管開裂試樣裂紋形貌

圖4 夾雜物形貌

表2 夾雜物評(píng)級(jí)情況

圖5 斷口形貌及微區(qū)分析對(duì)應(yīng)點(diǎn)

表3 譜圖1位置能譜微區(qū)成分％

5）X光衍射儀組織含量分析。利用D/meX-rc型陽極轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀對(duì)焊管試樣進(jìn)行馬氏體含量分析測(cè)定。輕微磨除外表面氧化鐵皮，測(cè)定表面馬氏體平均含量為12％；測(cè)定橫斷面處馬氏體含量為20％。將外表面磨除約1 mm后，測(cè)定該部位馬氏體含量為2％。

3 結(jié)果討論

3.1 焊管裂紋形成原因

鋼板在卷管過程中外表面受拉應(yīng)力，內(nèi)表面受壓應(yīng)力，中心不受力。焊管在卷管應(yīng)力作用下會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，焊管裂紋沿軸向開裂，與焊管彎曲受力面相垂直。焊管廠在未經(jīng)退火處理的條件下，對(duì)熱軋黑皮卷進(jìn)行冷卷管焊接加工，碳化物未固溶于基體，會(huì)在碳化物附近產(chǎn)生應(yīng)力集中，降低材料的塑性。通過金相分析、斷口電鏡能譜微區(qū)分析發(fā)現(xiàn)，缺陷試樣敏化狀態(tài)嚴(yán)重，大量脆性碳化物沿晶界、基體析出，裂紋沿碳化物擴(kuò)展。

通過X射線衍射儀檢測(cè)確認(rèn)，焊管試樣內(nèi)馬氏體含量高達(dá)20％，說明在卷管加工過程中形變誘發(fā)馬氏體相變。制管過程中使材料產(chǎn)生加工硬化，硬度升高，塑性進(jìn)一步降低。

3.2 形變馬氏體轉(zhuǎn)變

奧氏體不銹鋼材料加工硬化主要原因[2]：加工過程中發(fā)生形變誘導(dǎo)馬氏體轉(zhuǎn)變。馬氏體轉(zhuǎn)變存在兩個(gè)臨界溫度即Ms和Md。Ms是在冷卻過程中開始產(chǎn)生馬氏體轉(zhuǎn)變的最高溫度；Md是指由冷變形誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變的最高溫度。Ms和Md都直接受合金成分的影響。合金元素（Co除外）都不同程度降低馬氏體點(diǎn)。形變馬氏體（α'）形成的Ms（α'）和Md（α'，30/50）與合金成分關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式為[4]：

根據(jù)表1中的化學(xué)成分計(jì)算，焊接開裂試樣的Ms（α'）為-23.84℃，Md（α'，30/50）為73.06℃。馬氏體轉(zhuǎn)變溫度過高（一般18-8型不銹鋼的形變馬氏體轉(zhuǎn)變溫度＜30℃），材料在冷加工變形過程中產(chǎn)生強(qiáng)烈的加工硬化，引起材料強(qiáng)度升高、塑性降低。

3.3 改進(jìn)措施

綜合以上分析，避免焊管開裂的主要措施是提高材料的塑性，材料在使用前進(jìn)行固溶處理。但是目前一些企業(yè)出于降低成本的考慮，焊管前不進(jìn)行固溶處理，僅在焊管后進(jìn)行固溶處理[3]。這就要求鋼板生產(chǎn)企業(yè)，在鋼板生產(chǎn)過程中，控制碳化物的析出，滿足部分企業(yè)不固溶使用的特殊要求。根據(jù)對(duì)J4不銹鋼中碳化物析出規(guī)律的試驗(yàn)結(jié)果，將終軋溫度控制到890℃以上，軋后快速冷卻到700℃以下，可避免碳化物的大量析出。最好再進(jìn)行熱退火酸洗固溶處理，可完全消除碳化物析出。

通過優(yōu)化成分設(shè)計(jì)，Md（α＇，30/50）轉(zhuǎn)變溫度降低到了常規(guī)18-8型不銹鋼的水平?？煽刂评浼庸み^程中形變誘導(dǎo)馬氏體轉(zhuǎn)變的量，從而減緩材料的加工硬化程度。

4 結(jié)論

4.1 焊管開裂的主要原因是：材料處于嚴(yán)重敏化狀態(tài)，即晶界、基體上析出大量Cr的碳化物，加上形變誘發(fā)產(chǎn)生大量馬氏體，導(dǎo)致材料的塑性降低，在焊管殘余應(yīng)力作用下，使焊管沿管口位置軸向延伸開裂。

4.2 用戶在采購過程中應(yīng)明確用途和加工過程，鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)根據(jù)終端用戶需求確定生產(chǎn)工藝。用戶在使用過程應(yīng)了解低鎳奧氏體不銹鋼的特性，避免出現(xiàn)加工質(zhì)量問題。

[1]李巖，張有余，朱亮，等.低鎳奧氏體不銹鋼熱變形性能及氮的影響[J].軋鋼，2008，25（3）：11.

[2]楊卓越，王建，陳嘉硯.304奧氏體不銹鋼熱誘發(fā)馬氏體相變研究[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2008，29（1）：98.

[3]李鈞.YGA201不銹鋼的合金化研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2009.

[4]中國(guó)特鋼企業(yè)協(xié)會(huì)不銹鋼分會(huì).不銹鋼實(shí)用手冊(cè)[M].北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2003.

Cracking Reason Analysis of Welded Pipe with Low-nickel Austenite Stainless Steel

CHEN Kun,CHEN Pei-dun,WANG Jun-hai
（Shandong Taishan Iron and Steel Group Corporation,Laiwu 271100,China）

In order to analyze the cracking reason of welded pipe with low-nickel austenite stainless steel,the chemical composition and mechanical properties of cracking simple were analyzed and the metallurgical structure,energy spectrum and fractography were tested with scanning electron microscope and X-ray diffraction analysis.The results showed that it is caused by the material without solution treatment,so lots of carbides on the grain boundary,and a large of martensite produced by deformation.Controlling the finishing rolling temperature(890℃),and accelerating cooling to 700℃after rolling can avoid a great deal of carbide precipitation.The solution treatment by annealing is the best measure.

low-nickel austenite stainless steel;welded pipe;cracking;carbide;solution treatment

TG115.2

A

1004-4620（2011）04-0030-03

2011-03-14

陳坤，男，1972年生，2004年畢業(yè)于山東大學(xué)材料工程專業(yè)，工程碩士。現(xiàn)為山東泰山鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)部副部長(zhǎng)，工程師，從事工藝管理和產(chǎn)品研發(fā)工作。