無縫鋼管連軋機限動芯棒熱疲勞性能探究

陶侃侃

（天津鋼管制造有限公司，天津 300301）

1 現階段芯棒熱疲勞后性能變化探究

芯棒作為無縫鋼管生產的主要變形工具之一，對使用條件有嚴格要求，熱疲勞的產生極易導致芯棒表面龜裂，從而對性能造成影響。具體來講就是在芯棒作業過程中，由于其要承受急冷急熱的循環作用，從而導致芯棒表面存在一定的溫度梯度，當其表層處于加熱狀態時會受到壓應力，而當冷卻后又會受到拉應力，反復中不僅會導致其復塑性變形問題的產生，最主要的是也會對其表面造成嚴重損害，進而導致裂紋的萌生和擴展，使芯棒的性能失效，故此，減緩芯棒熱疲勞產生是極為必要的。

1.1 芯棒不同熱疲勞次數后表面硬度的變化

為從根本上明確芯棒熱疲勞循環后截面硬度變化情況，對其進行熱疲勞作業，并詳細記錄不同循環次數的表面硬度變化，從而為后期各項作業的實施提供科學依據，通過圖1分析可知，不同的熱疲勞次數表層硬度變化呈現出隨次數增加而遞減的狀態，通常來講，在熱循環次數400次內，芯棒表面硬度基本保持不變，而當循環次數在500～2500次，芯棒的硬度值迅速下降，及其表面呈現出一種循環軟化狀態，而當循環次數超過2500次，芯棒的硬度幾乎保持不變。

圖1 不同周次循環后芯棒截面表層硬度變化情況

1.2 芯棒不同熱疲勞次數后表面形貌的變化

根據調查可知，經過不同次數的熱疲勞后，芯棒的表面形貌會發生顯著變化。經過300次循環后，芯棒的表層會產生不同程度的起皺現象，而后再循環300～500次，芯棒表面的褶皺加深，起皺部位就會出現熱疲勞裂紋，進而對芯棒的整體表層造成破壞，500次循環后，大部分裂紋已經發育成熟，裂紋萌生階段基本結束。

1.3 芯棒不同熱疲勞次數后碳化物形態和大小變化

在冷熱循環過程中，模具鋼也會發生循環軟化現象。通過觀察不同熱疲勞次數后碳化物形態以及大小變化，從而對其變化機理進行詳細探析。具體而言在不同的冷熱循環過程中，碳化物發生了明顯粗化，而不同形貌的碳化物顆粒，其變化過程也不盡相同。

2 細化處理對于無縫鋼管連軋機限動芯棒熱疲勞性能的影響

通過上述分析可知，在芯棒使用過程中，冷熱交替循環變化是其不可避免所要承受的服務環境，而長此以往，其表面硬度、表面形貌以及碳化物形態和大小都會發生變化，且隨著循環次數的不斷增加，會極易導致熱疲勞裂紋的產生。與此同時循環次數的增加在一定程度上也會對殘留塑性造成一定影響，因此，要想從根本上提高材料的強度，在冷熱交替過程中，可通過細化碳化物減緩疲勞裂紋的萌生。

2.1 顯微組織

經球化處理后，不同質地的碳化物呈現出不同的分布狀態。不同的處理策略取得的效果也不盡相同，經球化處理的碳化物大小不一，形態多樣，分布極為不均，晶內碳化物大部分呈束狀和團簇狀分布，而經固溶處理的試樣碳化物顆粒明顯細化，數量增多，分布更加均勻彌散，晶內碳化物形態基本為球形，此外與球化處理不同的是，經固溶處理后，晶界已無明顯鏈狀碳化物析出。

2.2 力學性能

經組織細化處理后，芯棒的表面無論是其強度還是韌性都得到了顯著提高，故此總體而言細化處理對于提高材料性能具有顯著優勢，此外通過上述幾種方式的細化處理來看，固溶后油冷比空冷對性能的提高效果更加顯著。

2.3 疲勞性能

經過對芯棒的球化處理以及細化處理可知，其在進過3000次熱疲勞循環后，球化處理的芯棒其產生的疲勞裂紋寬而深，但是經過細化處理的芯棒其 疲勞裂紋通常細而淺，因此為從根本上有效地提高芯棒的整體性能，在對其進行處理過程中，通常應選用細化處理方式，以此來顯著地提高其抗疲勞性能。

2.4 顯微硬度

在當前芯棒經球化處理和細化處理后，其顯微硬度梯度也不盡相同，通常而言，從顯微硬度看，無論是常規的球化處理還是細化處理，在一定程度上兩者的基體硬度處于同一水平，但是細看來講，細化處理的芯棒其抗軟化性能較強，故此在對芯棒進行軟化處理時，選擇細化處理方式是極為必要的。

2.5 分析討論

從目前來看，經球化火處理的芯棒，通常來講基體上分布著有粗大桿狀碳化物和點球狀碳化物，且與細化處理不同的是，球化處理的芯棒存在著明顯的碳化物富集區，經正常淬火處理后，芯棒的基體組織會變大，碳化物的分布也呈現出不均勻狀態，故此在實際應用過程中，由于這種組織材料的強度和韌性值相對較低，利于裂紋形成和擴展。經固溶處理后的芯棒，通常而言其碳化物明顯細化，隱約可見鏈狀碳化物沿原奧氏體晶界分布，總體來講造成這種物質產生的主要原因，是由于在固溶化處理過程中，冷速相對較慢，為碳化物沿晶呈鏈狀析出提供了有利條件，且相較于球化火處理，通過固溶處理后的芯棒其碳化物的分布較為均勻，在韌性方面其也具有顯著優勢，因此總體來講經過固溶后油冷處理的芯棒，無論是從哪方面來講，其性能優勢都遠遠超于球化火處理的芯棒。除此之外，經大量科研數據分析可知，經過細化處理后的芯棒，其不僅抗回火軟化能力明顯提高，延緩了疲勞裂紋的形成，同時在提高芯棒斷裂韌性以及抗熱疲勞性能等方面也發揮了顯著優勢，且按照Hall-Petch公式，經過細化處理后，芯棒晶粒屈服強度提高的同時，其裂紋擴展臨界應力也也有所改善。

3 結語

綜上所述，在當前社會主義市場經濟不斷發展和經濟管理體系不斷完善的新社會主義市場經濟常態下，鋼材作為重要的施建材料，其各項性能指標一直以來都受到了社會各界的高度重視，尤其是作為無縫鋼管生產的主要變形工具之一，芯棒的使用壽命更與企業的整體經濟效益息息相關，故此在當前冷熱疲勞過程中，如何有效地對其進行優化熱處理研究是現階段企業的核心發展方向，而經大量科研數據分析可知，從某方面而言，碳化物的形狀、大小和分布狀態對疲勞性能有較大影響，故此為從根本上避免各種軟化問題的產生，在對其進行處理作業過程中通過采取細化處理的方式，在一定程度上能顯著地提高芯棒材料的力學性能，和抗熱疲勞性能。