20#鋼精軋無縫鋼管擴孔開裂缺陷分析

20#鋼精軋無縫鋼管擴孔開裂缺陷分析
Analysis of Cracking in Steel Tube 20# steel Cold Rolling Reaming

本文通過化學成分分析、硬度檢測、金相檢驗等方法，對我司(仁成鋼管)生產的20#鋼精軋(冷軋)無縫鋼管擴孔開裂缺陷進行檢驗分析其原因，研究了開裂的原因與機理。 結果表明：引起鋼管裂紋的主要原因是毛管內壁存在細小裂紋。 細小裂紋的產生由于加熱溫度遠高于奧氏體化工藝780℃，毛管冷卻速度快，導致應力得不到完全釋放，增加了開裂的傾向性。在冷精軋時，產生了大量的塑性變形，晶格畸變嚴重，在內壁應力集中處沿晶界產生裂紋，裂紋在受到外部應力作用下產生開裂。

In this paper, the chemical composition, hardness, metallographic examination and other methods were used to test and analyze the cracking during reaming of 20 # steel, and the causes and mechanisms of cracking were studied. The results show that the main cause of cracking in the steel pipes was the presence of fine cracks in the inner wall of the hollow tube. The occurrence of fine cracks was due to the fact that the heating temperature was much higher than the austenitizing temperature of 780℃, the cooling rate of the hollow tube was fast, which results in no complete release of stress, increases the tendency of cracking. In the cold finish rolling, a large amount of plastic deformation is produced, and the lattice distortion is severe, so fine cracks are generated at the inner wall along the grain boundary where the stress concentrate, and finally cracked under the action ofexternal stress.

我司(仁成鋼管)使用20#鋼熱軋管坯鋼鋸切下料→加熱→穿管→定徑→退火→皂化→毛管→冷精軋→探傷→鋸切料段→端頭擴孔工藝生產20#鋼鋼管，在精軋后鋸切料段擴孔時，鋼管出現開裂，并在隨后檢驗發現鋼管表面硬度不均（ 不同支8~17HRC）， 針對這一現象，對造成20#鋼鋼管擴孔開裂的原因進行試驗分析 [1-4] 。

1 試樣方案

為了查驗造成開裂的原因，在穿管、退火、冷軋3個工序分別取樣，取樣編號分別為1# 、2# 、3# 、4#。試樣取樣信息如表1，對鋼管試樣分別進行了化學成分、帶狀、夾雜物、組織等進行檢驗分析。

2 試驗過程與結果

2.1 外觀檢查

試樣見圖1，其中（a）1# 鋼管試樣，為非退火態毛管，（b）2# 鋼管試樣，為退火態毛管，（c）3# 鋼管試樣，為無開裂冷精軋管，（d）4# 鋼管試樣，為開裂冷精軋管。鋼管宏觀形貌上未觀測到鋼管表面存在外折類缺陷，在穿管后的毛管及冷精軋后的成品管上經探傷檢測，均無質量問題存在，因此可以初步推斷，該批次鋼管的原材料不存在影響客戶使用的表面質量問題。

觀察鋼管宏觀裂紋形貌，發現裂紋是由鋼管內壁初始裂紋經擴展后延伸至表面，見圖 2。 因此可以初步斷定裂紋源在鋼管內壁，鋼管內壁可能存在某些缺陷導致受力開裂[5] 。

圖1 鋼管試樣宏觀形貌

圖2 4#冷精軋管裂紋宏觀形貌

2.2 化學成分檢驗

對4只料段取樣進行光譜成分分析，分析結果見表2所示。從表2分析結果可知，3支料段的碳含量偏上限，但均符合標準規定范圍，并根據檢測結果可以初步判斷此三個試樣可能為同一爐批次鋼。

為了分析是否是由于原材料成分偏析造成的影響，在每個鋼管料段上隨機取4點進行光譜分析，見表3所示。從表3的光譜分析數據可知，送檢的4支鋼管料段不存在明顯的化學成分偏析質量問題。

2.3 非金屬夾雜物檢驗

對4支鋼管依據GB/T10561-2005進行非金屬夾雜物檢驗，檢測數據見表4。從表4的非金屬夾雜無檢測結果分析可知，該批4支鋼管非金屬夾雜物指標良好，滿足相應標準要求，可以初步斷定該批鋼管的質量問題不是由非金屬夾雜物引起的。

2.4 帶狀組織檢驗

對4支鋼管帶狀組織及洛氏硬度進行檢測，檢測數據見表5及圖3。從表5的檢測數據及圖3的金相組織分析可知，穿管后的毛管帶狀組織均勻、無明顯偏析組織情況；而經退火后帶狀組織為 2.5級（因采取退火，帶狀組織升高，屬退火原因造成），冷精軋后帶狀組織為 2 級，均在標準允許范圍之內，因此可以推斷該批鋼管質量問題不是鋼材帶狀組織偏析造成的。

注：如鋼的硬度低于20HRC時，洛氏硬度檢驗不準，表中數據僅供參考

圖3 鋼管帶狀組織

2.5 金相組織檢驗

在檢測4支鋼管帶狀組織的過程中發現1#毛管存在嚴重的魏氏組織（ 見圖4），依 據 GB/T13299-1991及GB/T6394-2017進行晶粒度和魏氏組織評級（見表6）。

注：3#，4#冷精軋管由于存在嚴重的形變，無法進行魏氏組織、晶粒度的評級。

從圖4綜合分析可知，毛管在退火前（1#毛管）存在嚴重的魏氏組織，而退火后（2#毛管）魏氏組織消失，并且晶粒尺寸粒更細小。此變化表明鋼管穿孔時存在管坯加熱溫度偏高，并促使毛管在冷卻中出現4級魏氏組織，但此毛管高溫退火后因發生再結晶使鋼的晶粒得到了細化，由 6.5 級細化為8.5級，并消除了魏氏組織。

圖4 1#鋼管的魏氏組織

對比1#鋼管和2#鋼管金相組織中珠光體含量可以發現，退火處理后的 2 # 鋼管珠光體含量明顯增加，硬度也從退火前的7HRC增至10HRC，可以推斷出2#鋼管在加熱后冷卻速度較快，鐵素體析出得到了抑制。

退火熱處理工藝溫度為780℃，但根據金相組織形貌分析判斷實際的加熱溫度可能遠超工藝規定的 780℃，其熱處理工藝疑似為正火熱處理而非退火熱處理。

2.6 鋼管內壁組織檢驗

由于裂紋是從鋼管內壁開裂開始的，因此判斷裂紋源應存在于鋼管內壁。為了驗證鋼管內壁是否存在某些缺陷造成鋼管開裂，對4支鋼管的內壁進行了金相組織分析，見圖5。

圖5 鋼管內壁金相組織

如圖5所示，1#毛管的內壁光滑，未發現裂紋及脫碳；2#經熱處理后的毛管未發現裂紋，但與1#試樣相比出現了明顯的脫碳，這表明該鋼管熱處理加熱溫度應該在800℃以上，證明了客戶實際加熱工藝與規定的退火工藝不符；3#及4#冷精軋管內壁均發現大量的裂紋，最大深度約為100μm，并且裂紋處可觀測到明顯的變形流線，表明鋼管在冷精軋過程裂紋處受到較大的形變。

為了更清晰顯示裂紋的形貌，對冷精軋管的裂紋進行更高放大倍數的觀察，見圖6。從圖可以明顯看出，裂紋是沿著內壁脫碳處的鐵素體晶界開裂，由于鐵素體的斷裂強度低，而冷精軋過程中冷

軋管的斷面收縮率約為53.1%，形變量大，內壁在形變過程中受較大的應力而形成裂紋。

圖6放大后精軋管內部裂紋形貌

2.7 鋼管內壁裂紋處金相檢驗

對鋼管內壁裂紋處進行了非金屬夾雜物和組織的金相組織觀察， 見圖7、圖8。觀察發現，鋼管內壁裂紋周邊無明顯的非金屬夾雜物存在，可以判斷此裂紋不是鋼種非金屬夾雜物引起的。

圖7 鋼管內壁處裂紋形貌

圖8 鋼管內壁裂紋擴展區形貌

從圖上可以看出，鋼管內壁是裂紋源，除主裂紋外，內壁還有一些小裂紋存在。主裂紋擴展區呈現蛛網狀形態，疑似沿晶開裂，對裂紋擴展區采用硝酸酒精溶液腐蝕后，其顯微組織形貌見圖9。

圖9 裂紋擴展區組織形貌

從裂紋擴展區放大的金相組織分析，裂紋擴展區確為沿晶開裂，裂紋周邊金相組織未發現脫碳也未發現其它異常組織，因此可推斷裂紋根部的主裂紋為多個沿晶裂紋合并而成。

3 結果分析

根據生產過程查證，鋼的化學成分、非金屬夾雜物、金相組織等一系列的檢驗結果可以得出：

（1）該批鋼管不存在有影響質量的嚴重化學成分偏析缺陷；

（2）通過對裂紋形成觀察及檢測驗證，冷精軋管裂紋為從內壁向外壁擴展開裂，裂紋源應在鋼管內壁；

（3）通過對鋼管內壁的檢驗，發現冷精軋管內壁存在大量沿晶開裂的細小裂紋，這是引起鋼管開裂的原因；

（4）通過對鋼管硬度檢測，發現毛管退火后的硬度高于退火前的硬度；

（5）通過金相組織檢驗，發現熱處理后毛管產生了 明 顯脫碳，而熱處理前基本看不到無脫碳情況；

（6）1# 毛管存在嚴重魏氏組織，證明穿管生產時存在溫度高的過熱情況。

綜上，從鋼的化學成分、硬度、金相組織形貌、內壁脫碳、內壁裂紋等方面檢驗分析得出： 引起鋼管裂紋的主要原因是毛管內壁存在細小裂紋。

另根據鋼管組織對比可以確定該批鋼管穿成毛管后，采用的加熱溫度遠高于 20#鋼奧氏體化溫度，與熱處理加熱工藝中規定的780℃退火工藝不符，毛管冷卻時速度又過快，導致硬度提高、應力得不到完全釋放，并在鋼管內壁形成明顯的脫碳，降低了內壁的斷裂強度；冷精軋時大變形產生了大量的塑性變形， 晶格畸變嚴重，晶粒內部位錯急劇增加， 粗糙度和駐留滑移帶大量形成之后，晶粒本身強度下降，裂紋在內壁應力集中處沿晶界萌生，裂紋在受到外部應力作用下產生開裂[6][[7] 。

4 結論

（1）鋼管開裂質量問題不是由原材料質量問題引起的。

（2）冷精軋管擴孔開裂的根本原因是由于冷精軋管內壁裂紋造成。

（3）內壁裂紋的產生與加熱溫度高于奧氏體化溫度，冷卻速度快有關。（加熱爐的溫度控制今后要加強管控）

參考文獻

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[8] 常州精密鋼管博客網，原文出處：http://bk.www.laugustcd.cn/post/CrackDefectAnalysis.html