蘇禎祺， 徐旋旋， 朱文凱， 趙 宜

(中天鋼鐵集團有限公司，江蘇 常州 213011)

引 言

20#鋼由于其韌性高、強度適中、制造方便等特點，成為壓力管道乃至高壓管道的常用材料。某鋼管廠生產20#鋼鋼管工序為：原材料下料(Φ50 mm×(1100～1500)mm)→1200℃加熱穿孔軋毛管 →酸洗、磷化、皂化→第一道冷拔(毛管拉拔至Φ42,38,36 mm三種規(guī)格)→第二道冷拔(將第一道拉拔鋼管分別拉拔至Φ34,32,30 mm三種規(guī)格)→矯直→切頭。某批次生產時，在第一道冷拔過程中的冷拔后期或冷拔剛完成后則出現(xiàn)大量的鋼管脆性開裂現(xiàn)象，或在鋼管堆放過程中因鋼管碰撞或跌落而產生縱向脆性開裂。

1 開裂原因分析

1.1 鋼管開裂宏觀形貌

開裂鋼管裂紋呈長條、直線狀沿縱向分布，部分地方開裂十分嚴重，裂紋長度達約1000 mm，并貫穿管壁；裂面平直，可見撕裂“人”字紋，屬于一次性瞬時脆性開裂，如圖1所示。

1.2 裂面微觀形貌

使用蔡司掃描電鏡觀察開裂裂面微觀形態(tài)，分別如圖2,3所示。開裂裂面微觀形貌均為解理脆性斷裂，并存在較多的二次裂紋，解理面上的河流花樣的源頭可見許多細小的碳氮化物析出相。

圖3 開裂裂面微觀形貌(二)

1.3 化學成分

在開裂20#鋼鋼管上取樣，使用德國超譜公司QSN750型直讀光譜儀及ON836氣體分析儀進行化學成分分析，結果如表1,2所示，可見該批開裂20#鋼鋼管的化學成分符合GB/T699-2015《優(yōu)質碳素結構鋼》標準要求；微合金元素及有害元素含量非常低，但鋼中氮含量異常偏高，達到了260×10-6。

表1 20#鋼鋼管的化學成分/%

表2 20#鋼鋼管的微量元素/%

1.4 力學性能及硬度測試

在開裂的20#鋼鋼管上取樣進行力學性能及硬度測試，結果如表3所示。表3中給出的標準值為GB/T 699-2015《優(yōu)質碳素結構鋼》標準對正火態(tài)20#鋼的拉伸力學性能規(guī)范要求。可見鋼管經過冷拔后，鋼管的抗拉強度、屈服強度及硬度較高，但斷后延伸率遠低于國家標準要求的下限。

表3 20#鋼鋼管力學性能及硬度

1.5 鋼管受壓試驗

在開裂鋼管上未開裂部位取四節(jié)鋼管，將兩節(jié)鋼管未經任何處理而直接放置于試驗機上，由徑向施加壓力，在稍為施加壓力情況下，鋼管便產生了多處縱向開裂，開裂形貌及裂面形貌為脆性開裂，說明該開裂鋼管脆性較大。將另兩節(jié)鋼管在進行900 ℃保溫1 h退火后再進行壓扁試驗，在鋼管壓扁情況下，鋼管都沒有產生開裂，說明經過退火可以消除鋼管的脆性，也表明鋼管開裂是非不可逆的開裂(如氫脆)，如圖4所示。

圖4 鋼管壓扁形貌

1.6 金相檢驗

從開裂鋼管上切取縱向試樣，經磨拋后用ZEISS Axio Imager.A2m光學顯微鏡觀察，按GB/T10561-2005中的A法進行非金屬夾雜物含量的測定，其結果為A類 0.5級，D類1.0級，未發(fā)現(xiàn)其他大顆粒夾雜物。經4%的硝酸酒精腐蝕后檢驗發(fā)現(xiàn)，鋼管橫向顯微組織為鐵素體+珠光體+少量魏氏組織；鋼管縱向顯微組織為沿軋制方向分布的鐵素體和珠光體，未見有其他異常組織，如圖5所示。

圖5 鋼管顯微組織

2 結果與討論

該鋼管廠長期采用此工藝制管，冷軋道次及道次變形量沒有變化，冷軋過程的軋制潤滑條件良好，而本次供貨中尚有其它多個批號的20#鋼，其冷軋工藝相同，但均未產生冷軋脆性開裂的現(xiàn)象，說明是非工藝因素引起的開裂。開裂鋼管經過退火可以消除鋼管的脆性，也表明鋼管開裂是非不可逆的開裂(如氫脆)。

從上述理化檢驗結果可知，該批開裂20#鋼鋼管的金相組織正常，也未發(fā)現(xiàn)存在大顆粒夾雜物。但該批開裂20#鋼鋼管的化學成分雖然符合GB/T699-2015《優(yōu)質碳素結構鋼》標準要求，有害元素含量也非常低，而鋼中氮含量異常偏高達到了260×10-6，大大超出了GB/T699-2015標準的上限(0.008%)，并且鋼中氮結合元素Nb，V，Ti，Al均非常低，使得氮主要以游離態(tài)型式存在于鋼中。因此可以認為是高含量氮引起了鋼管脆性開裂。

氮在鋼中有兩種存在形式:溶于鋼中的游離態(tài)氮原子[N]和與其他元素結合的氮化物。氮在鋼中的溶解度遵循西瓦特定律：高溫下溶入鋼液的高含量氮能在常溫下留存下來，使之過飽和，成為間隔原子存在于鋼中；氮與鋼中的Nb，V，Al，Ti等合金元素有強的親和力，易形成穩(wěn)定的氮化物或碳氮化物。當鋼中添加有Nb，V，Al，Ti 等當中某一種元素時，鋼中游離態(tài)的氮便減少，氮化物數(shù)量增加。如果鋼中含氮量過高，又沒有添加有Nb，V，Al，Ti 等元素，則大量的氮主要以游離態(tài)的型式存在于鋼中。而游離間隙氮是導致鋼產生應變時效和時效脆性現(xiàn)象的主要原因之一[1]。

應變時效即鋼在冷加工變形時，由于氮的作用，使鋼的強度、硬度提高，而塑性與沖擊韌性下降。這種缺陷多發(fā)生在冷軋低碳結構鋼和回火軋制薄板中，并影響產品最終的成型性[2-4]。

產生應變時效的主要原因是低碳鋼在冷變形過程中，鋼中的間隙原子的擴散速率要比置換型溶質的大得多，所以間隙小原子與韌位錯的交互作用十分強烈，位錯脫離釘扎質點移動并增殖，在隨后的室溫長時間放置或低溫短時加熱過程中，固溶間隙原子[C]、[N]向位錯偏聚形成Cottrell氣團釘扎位錯，使位錯的應變能下降，這樣位錯的穩(wěn)定性提高了，位錯由十分易動變得不太容易移動，導致位錯移動困難。隨著位錯附近固溶間隙原子的聚集，位錯密度較大的晶界處易脆化，導致強度和硬度上升，塑韌性降低。

當鋼中游離態(tài)氮原子[N]含量增加時，鋼中的[N]原子大量分布于韌位錯周圍，使位錯周圍的[N]濃度明顯高于平均值，甚至可以高到在位錯周圍形成碳化物、氮化物的小質點，于是鋼的塑性變形抗力(屈服強度)大幅度提高，塑性和韌性嚴重下降，增大了鋼材的應變時效敏感性和冷脆性。有資料分析了20#鋼鋼管含氮量與彎管處沖擊吸收能量的關系[5]，雖然鋼材的沖擊吸收能量與鋼的冶煉、元素成分、軋制、熱處理、尺寸等各種因素有關, 但圖6所表現(xiàn)出來的氮含量的主導作用還是顯而易見的，含氮量高于0.008%時，沖擊吸收能量急劇下降。

圖6 20#鋼鋼管含氮量與彎管處沖擊吸收能量的關系

本次產生脆性開裂的20#鋼鋼管，鋼中未添加Nb，V，Al，Ti等元素，檢測出的含量僅為殘余量，鋼管軋制工藝也未出現(xiàn)異常，只有鋼中氮含量異常偏高；異常偏高的氮使鋼管在冷軋過程中產生嚴重的應變時效而導致脆性開裂。

3 結束語

(1) 20#鋼鋼管在冷軋過程產生脆性開裂，是由于鋼中氮含量異常偏高引起嚴重的應變時效所導致。

(2) 在冶煉20#鋼等管坯鋼時，須在鐵水、廢鋼、物料添加及LF爐精煉等容易增氮的環(huán)節(jié)做好氮含量監(jiān)控，以避免造成氮偏高引起的質量問題。