06Cr18Ni11Ti (SUS321)不銹鋼擴(kuò)管開裂原因分析

施黎明呂海當(dāng)馬正偉胡梅青姜美雪

(青山鋼鐵瑞浦科技集團(tuán)有限公司特鋼研究院，浙江323900)

摘要：利用宏觀分析、光譜成分分析、金相分析對內(nèi)壁出現(xiàn)裂紋的06Cr18Ni11Ti不銹鋼荒管進(jìn)行了全面的分析。分析結(jié)果表明:擴(kuò)管過程的開裂屬于普遍開裂，材料的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，裂紋兩側(cè)有少量TiN夾雜物，裂紋尾端呈沿晶趨勢，奧氏體晶界有少許碳化物存在。因此推斷退火效果不好導(dǎo)致晶界弱化，加之TiN夾雜物的應(yīng)力集中，擴(kuò)管張力的作用超過了材料的斷裂強(qiáng)度時就發(fā)生了開裂。

關(guān)鍵詞：06Cr18Ni11Ti；不銹鋼管；開裂

中圖分類號：TG115.21文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

收稿日期：2015—04—28

Crack Cause Analysis on 06Cr18Ni11Ti (SUS321)

Stainless Steel Pipe Expanding

Shi Liming, Lv Haidang, Ma Zhengwei, Hu Meiqing, Jiang Meixue

Abstract：06Cr18Ni11Ti stainless steel pierced billet with inner cracks has been analyzed completely by means of macro analysis, spectrum composition analysis and metallurgical analysis. The result showed that cracks from pipe expanding process belonged to general crack, chemical composition of material conformed to standard requirement, TiN inclusion existed on both sides of crack, crack end tended to along grain change, and a few carbides existed in austenite grain boundary. Therefore it concluded that unsound annealing effect resulted in grain boundary weakening, stress concentration of TiN inclusion and pipe expanding tension action above material fracture strength have been taken place, all of the issues resulted in pipe expanding crack.

Key words：06Cr18Ni11Ti; stainless steel pipe; crack

在各類不銹鋼中，鈦穩(wěn)定化不銹鋼具有優(yōu)越的抗腐蝕性能。鈦穩(wěn)定化奧氏體不銹鋼(AISI321)主要用于高溫抗氫環(huán)境，如化工、航天等領(lǐng)域。06Cr18Ni11Ti不銹鋼無縫鋼管(GB 3087—1999)是用于制造各種結(jié)構(gòu)低中壓鍋爐過熱蒸汽管、沸水管及機(jī)車鍋爐用過熱蒸汽管、大煙管、小煙管和拱磚管專用的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼熱軋和冷拔無縫鋼管。這些鍋爐管道經(jīng)常處于高溫和高壓下工作，管子在高溫?zé)煔夂退魵獾淖饔孟逻€會發(fā)生氧化和腐蝕，因此要求鋼管有高的持久強(qiáng)度、高的抗氧化性能，并具有良好的組織穩(wěn)定性。

06Cr18Ni11Ti不銹鋼棒材穿管后,進(jìn)行一次擴(kuò)管,經(jīng)過退火后,再次擴(kuò)管,酸洗后發(fā)現(xiàn)有開裂現(xiàn)象，現(xiàn)對開裂原因進(jìn)行分析。

1試驗方法

觀察荒管開裂的形貌，從頭部往管身延伸一定長度截開荒管觀察內(nèi)壁開裂情況。在荒管上取試樣，磨平后使用SPECTROLAB M10型光電直讀光譜儀檢測其化學(xué)成分。在裂紋處截取金相試樣，進(jìn)行金相檢測，主要進(jìn)行夾雜物的評級、裂紋微觀形貌觀察以及組織變形情況的分析。試樣的制備、試樣研磨、試樣的浸蝕、顯微組織檢驗、顯微照相參照GB/T 13298—1991《金屬顯微組織檢驗方法》執(zhí)行。

2試驗結(jié)果

2.1宏觀分析

?200 mm×18 mm荒管(此時檢查并未發(fā)現(xiàn)有開裂)擴(kuò)孔至?300 mm×14 mm后，出現(xiàn)了如圖1所示的內(nèi)壁開裂。從圖1(a)看出裂紋分布在鋼管的內(nèi)壁圓弧面上，裂紋密集程度、開口方向等均沒有明顯的規(guī)律，幾乎在整個鋼管內(nèi)壁圓弧面上均勻通條存在，屬于普遍開裂。在圖1(a)開裂處隨機(jī)取樣，放在體視顯微鏡下放大20倍，見圖1(b)，可以看到整個鋼管內(nèi)表面特別是裂紋兩側(cè)處有明顯的晶間腐蝕。

2.2光譜成分分析

(a)鋼管內(nèi)壁通條開裂形貌 (b)裂紋表面宏觀圖片(20×)

CSiMnPSCrNiTi140822D080.0370.331.180.0310.00117.369.070.52國標(biāo)≤0.080≤1.00≤2.00≤0.035≤0.03017.00～19.009.00～12.000.5～0.8

(a)100× (b)500×

(a)100× (b)500×

圖4　裂紋兩側(cè)組織形貌(100×)

表1是所取樣品的化學(xué)成分檢測結(jié)果，所有元素都符合國標(biāo)的要求。

2.3金相分析

圖2(a)所示鋼管的裂紋從內(nèi)表面形成，逐漸向里延伸并變細(xì)，裂紋兩側(cè)有淡黃色的TiN顆粒狀夾雜物存在，級別為B(TiN)，2.0級左右。圖2(b)所示裂紋尾端細(xì)裂紋有沿晶趨勢。

圖3(a)所示裂紋是在內(nèi)壁處的微細(xì)裂紋，顯然是酸洗形成的酸蝕裂紋。經(jīng)過不銹鋼侵蝕劑腐蝕后形貌見圖3(b)，裂紋是沿著奧氏體晶界延伸的。

從圖4看出裂紋兩側(cè)的奧氏體晶粒度在6.0級左右，明顯的要小于遠(yuǎn)離裂紋的晶粒。圖5是正常部位的組織形貌，組織為奧氏體，晶粒度為5.0級，晶粒較均勻，并存在少許晶間碳化物。

3討論與分析

通過宏觀檢驗，鋼管內(nèi)壁通條開裂，且裂紋分布均勻，屬于普遍開裂，可以初步排除局部的冶金缺陷所致。裂紋表面存在晶間腐蝕現(xiàn)象，因此確定鋼管表面組織的晶界被弱化，在酸洗時形成了晶間腐蝕。

金相分析發(fā)現(xiàn)大裂紋兩側(cè)的晶粒小于遠(yuǎn)離裂紋處的晶粒，此處有少量TiN夾雜物存在，可以推測是由于TiN的釘扎作用抑制了晶粒的長大，前提是大裂紋處有更多的TiN夾雜物，在取樣、制樣過程中脫落，也有可能是退火過程中由于溫度或是時間的不均勻?qū)е麓颂幘Я５幕謴?fù)與正常部位不一樣。大裂紋尾端及內(nèi)表面的細(xì)裂紋有沿晶趨勢可以證明晶界是弱化了的，同時奧氏體組織中有晶間碳化物存在，充分證明了是退火效果不好導(dǎo)致晶界弱化，加之TiN夾雜物的應(yīng)力集中，在擴(kuò)管張力的作用超過了其斷裂強(qiáng)度時就發(fā)生了開裂。

圖5　正常部位腐蝕形貌(100×)

4結(jié)論

鋼管內(nèi)壁開裂的主要原因是退火效果不好導(dǎo)致晶界弱化，加之TiN夾雜物的應(yīng)力集中，在擴(kuò)管張力的作用超過了其斷裂強(qiáng)度時就發(fā)生了開裂。

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編輯杜青泉