不銹鋼封頭微裂紋成因分析

張健

國(guó)家再制造機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 山東泰安 271000

1 序言

壓力容器通常是指承載一定壓力的密閉設(shè)備，一般由筒體、接管、法蘭、封頭等組成。由于封頭是主要受力器件之一，封頭質(zhì)量直接關(guān)系到壓力容器的耐壓性能，關(guān)乎財(cái)產(chǎn)與生命安全，因此生產(chǎn)方、使用方和監(jiān)管方均高度重視封頭的質(zhì)量問(wèn)題。

某企業(yè)采用冷旋壓工藝生產(chǎn)一批奧氏體不銹鋼封頭，采用材料牌號(hào)為06C r19N i10（代號(hào)S30408），俗稱(chēng)304不銹鋼，厚度20mm；鋼板執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 24511—2017 《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鋼板和鋼帶》。旋壓結(jié)束后鋼板厚度由20mm延展壓縮至17mm。此工藝屬于企業(yè)的成熟工藝，但此次在封頭表面出現(xiàn)許多微裂紋，并且裂紋遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域，如圖1所示。封頭取樣位置如圖2所示。

圖1 封頭加工后表面微裂紋

圖2 封頭取樣位置

2 理化檢測(cè)

2.1 成分檢測(cè)

依據(jù)GB/T 24511—2017 《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鋼板和鋼帶》規(guī)定，采用真空直讀光譜儀對(duì)斷口試樣成分進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明，樣品成分符合要求，見(jiàn)表1。

表1 樣品的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2.2 基材金相檢測(cè)

對(duì)原始鋼板進(jìn)行切割鑲嵌打磨，采用10%草酸水溶液進(jìn)行電解拋光，發(fā)現(xiàn)鋼板以?shī)W氏體為主，在平行鋼板厚度方向有大量的細(xì)長(zhǎng)線狀組織（見(jiàn)圖3），并且發(fā)現(xiàn)線狀組織周?chē)性S多腐蝕坑（見(jiàn)圖4），草酸電解導(dǎo)致的腐蝕坑成因有待研究。為進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證，采用10%NaOH水溶液進(jìn)行電解拋光，發(fā)現(xiàn)白色基體存在大量網(wǎng)狀、線狀組織，顏色呈棕褐色（見(jiàn)圖5），可以確定此類(lèi)線狀、網(wǎng)狀組織是α-鐵素體組織[1]。這些線狀鐵素體長(zhǎng)且細(xì)，寬度多在2μm以下。利用金相軟件對(duì)鐵素體含量進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)其鐵素體含量在8%～10%。

圖3 原始鋼板經(jīng)草酸電解后組織（500×）

圖4 原始鋼板經(jīng)草酸電解后組織（1000×）

圖5 原始鋼板經(jīng)NaOH電解后組織

2.3 力學(xué)性能

依據(jù)GB/T 24511—2017 《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鋼板和鋼帶》規(guī)定，對(duì)原始鋼板和旋壓成形后的鋼板進(jìn)行拉伸、彎曲試驗(yàn)和硬度檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 樣品力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

由表2可以看出，原始鋼板的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，但硬度不均勻，有硬度超標(biāo)的情況。經(jīng)過(guò)旋壓加工后，材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、硬度升高，斷后伸長(zhǎng)率下降，伸長(zhǎng)率已經(jīng)遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，說(shuō)明冷變形導(dǎo)致材料塑性下降。為了進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，鋼板取樣后，將表面的裂紋進(jìn)行了打磨消除，但拉伸后在鋼板的表面同樣發(fā)現(xiàn)了微裂紋。裂紋沿試樣長(zhǎng)度方向，在斷口附近和遠(yuǎn)離斷口出均有發(fā)現(xiàn)，且只在鋼板的一側(cè)出現(xiàn)，如圖6、圖7所示。同時(shí)取樣進(jìn)行了彎曲試驗(yàn)，在彎曲內(nèi)表面沿試樣長(zhǎng)度方向同樣發(fā)現(xiàn)了此類(lèi)裂紋，如圖8所示。

圖6 拉伸試樣斷口附近裂紋

圖7 拉伸試樣遠(yuǎn)離斷口裂紋

圖8 彎曲內(nèi)表面裂紋

2.4 金相檢測(cè)

對(duì)拉伸所出現(xiàn)的微裂紋進(jìn)行垂直截取鑲嵌，拋光后經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過(guò)拉伸后，鋼板發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致試樣內(nèi)部出現(xiàn)大量孿晶，線狀鐵素體相對(duì)更加密集，且線狀組織表面更多，說(shuō)明在拉伸過(guò)程中，試樣表面縮頸變形較心部區(qū)域更劇烈，其中裂紋出現(xiàn)在表面線狀組織聚集最密集的位置。由圖9、圖10可以明顯地看到，斷裂處的線狀組織的匯聚。

圖9 微裂紋附近線狀組織匯聚情況

圖10 微裂紋附近線狀組織密集分布

3 崩裂原因分析

304不銹鋼雖為奧氏體不銹鋼，但由于其N(xiāo)i含量低，屬于亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼[2]，故其理論上并不能形成完全的奧氏體組織，還會(huì)附帶有鐵素體組織。經(jīng)固溶處理后，理想狀態(tài)下可以將鐵素體含量控制在2%以下，提高Ni含量可以保證完全奧氏體組織，但是成本過(guò)高。亞穩(wěn)態(tài)奧氏體距奧氏體-馬氏體相變相當(dāng)近[3]，塑性變形易發(fā)生形變誘導(dǎo)馬氏體相變，在常溫下對(duì)奧氏體不銹鋼冷加工就會(huì)使部分奧氏體組織轉(zhuǎn)化為馬氏體，馬氏體的含量如果過(guò)多，會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)鐵磁性，綜合性能開(kāi)始下降。此次鋼板由20mm壓縮至17mm，變形量超過(guò)15%，從力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果和金相組織看，塑性變形導(dǎo)致強(qiáng)度提升和塑性下降，說(shuō)明組織內(nèi)部發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)變[4]，馬氏體強(qiáng)度高而脆，奧氏體韌性強(qiáng)，由于二者伸長(zhǎng)率不一，故容易導(dǎo)致變形過(guò)程中產(chǎn)生微裂紋。

鐵素體相對(duì)于奧氏體，其塑性和韌性較差，過(guò)多的鐵素體會(huì)對(duì)奧氏體鋼的可加工性產(chǎn)生負(fù)面影響。但鐵素體的含量控制到多少為宜，目前結(jié)論不一，部分國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)如GB/T 18442.7—2017《固定式真空絕熱深冷壓力容器 第7部分：內(nèi)容器應(yīng)變強(qiáng)化》，要求成形后鐵素體含量不超過(guò)15%，也有部分文獻(xiàn)認(rèn)為鐵素體含量不超過(guò)10%，所造成的影響就有限[5]。此次所觀測(cè)到鐵素體含量在8%～10%，但從實(shí)際結(jié)果看，鐵素體呈細(xì)長(zhǎng)線狀分布，隨著塑性變形加劇，組織被壓縮，在鐵素體匯聚密集處發(fā)生開(kāi)裂，說(shuō)明線狀鐵素體對(duì)微裂紋的產(chǎn)生中起到了極大的促進(jìn)作用。

另外，此次試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，原始鋼板硬度不均勻，且多處硬度超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，過(guò)高的硬度會(huì)影響原材料韌性，在經(jīng)過(guò)旋壓加工后，硬度上升更明顯，塑性下降更多，導(dǎo)致斷后伸長(zhǎng)率下降嚴(yán)重。

4 結(jié)論與建議

1）原始鋼板硬度超標(biāo)，存在大量線狀、網(wǎng)狀鐵素體，在進(jìn)行旋壓加工過(guò)程中，誘發(fā)了馬氏體相變，導(dǎo)致材料塑性下降。與此同時(shí)，隨著壓縮變形，在鋼板表面大量的線狀鐵素體出現(xiàn)局部密集匯聚，嚴(yán)重破壞了組織的均勻性，導(dǎo)致因此處強(qiáng)度減弱而出現(xiàn)裂紋。

2）對(duì)于奧氏體不銹鋼中鐵素體和馬氏體，理論上可以采用熱處理或采用高Ni不銹鋼等方法處理，但是由于成本難以控制，現(xiàn)實(shí)操作難度大，故后續(xù)仍需通過(guò)控制原材料質(zhì)量和優(yōu)化工藝的方式避免出現(xiàn)微裂紋。具體措施：首先，應(yīng)加強(qiáng)原材料檢測(cè)，避免出現(xiàn)硬度臨界的情況，當(dāng)硬度偏高而伸長(zhǎng)率偏低時(shí)，冷變形加工后韌性將下降過(guò)快；其次，應(yīng)盡量降低鐵素體的含量，尤其是避免出現(xiàn)大量細(xì)長(zhǎng)線狀鐵素體。此外，應(yīng)合理規(guī)劃工藝，減小每次旋壓加工的變形量，增加壓制次數(shù)[6]。采取以上控制措施，可實(shí)現(xiàn)在成本可控的前提下，減少微裂紋的出現(xiàn)概率。