鉻錳奧氏體不銹鋼焊接開裂原因分析

馬正偉

(山東泰山鋼鐵集團(tuán)有限公司，山東 271100)

鉻錳奧氏體不銹鋼焊接開裂原因分析

馬正偉

(山東泰山鋼鐵集團(tuán)有限公司，山東 271100)

針對(duì)201不銹鋼焊接時(shí)出現(xiàn)的裂紋缺陷，通過化學(xué)成分分析、硬度分析和金相分析，找出了產(chǎn)生缺陷的原因是材料剪切過程中產(chǎn)生的加工硬化在焊接熱應(yīng)力作用下形成的，并從選材、剪切工藝和熱處理工藝等方面提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

錳鉻奧氏體不銹鋼;裂紋;焊接;加工硬化;熱應(yīng)力

鉻錳奧氏體不銹鋼以錳和氮替代部分鎳，可以降低生產(chǎn)成本，同時(shí)又兼具不銹鋼的特性，現(xiàn)在市場上的鉻錳不銹鋼是在印度J4不銹鋼基礎(chǔ)上調(diào)整成分開發(fā)而成的，被稱為“201”不銹鋼。

某公司生產(chǎn)的201酸洗板在客戶加工封頭時(shí)出現(xiàn)焊接裂紋缺陷。為找出缺陷原因，對(duì)缺陷試樣進(jìn)行相關(guān)檢測分析工作，查明了缺陷原因，并提出了有效的控制措施。

1 試驗(yàn)方法

1.1 宏觀檢測

對(duì)送檢的缺陷樣品進(jìn)行圖像采集，宏觀分析。1.2 化學(xué)成分檢測

在送檢試樣上截取化學(xué)成分試樣，用SPECRTOLAB M10型光電直讀光譜儀對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析。

1.3 物理性能檢測

用RB250RVRE布洛維全自動(dòng)硬度計(jì)對(duì)試樣進(jìn)行HRB硬度檢測。

1.4 金相分析

對(duì)送檢試樣截取金相試樣磨制、拋光，在GX51金相顯微鏡上進(jìn)行金相檢測。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1宏觀檢測結(jié)果

試樣宏觀檢測結(jié)果見圖1。鋼板厚度為9.49 mm，封頭加工時(shí)沿鋼板剪切邊的最外側(cè)進(jìn)行焊接，出現(xiàn)多處裂紋，裂紋垂直于剪切板分布并向基體處延伸。剪切邊寬度約為4 mm，邊部有明顯的剪切毛刺殘留。

2.2 化學(xué)成分分析結(jié)果

對(duì)送檢試樣進(jìn)行化學(xué)成分檢測并與該鋼廠判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表1。試樣的P、S元素含量偏高，Ni、Cu元素含量偏低。

2.3 HRB硬度檢測結(jié)果

分別對(duì)1#試樣焊縫附近的剪切邊部位和遠(yuǎn)離焊縫的基體部位進(jìn)行HRB硬度檢測，檢測結(jié)果見表2。剪切邊部位的硬度高于基體的硬度。

2.4 金相檢測分析結(jié)果

從1#試樣截取縱向試樣進(jìn)行非金屬夾雜物評(píng)定，結(jié)果見表3，非金屬夾雜物主要為A類、B類、C類，級(jí)別不高，數(shù)量不多。

從1#試樣裂紋1處截取縱向試樣，磨制、拋光后用金相顯微鏡進(jìn)行觀察，見圖2(a)。裂紋從邊部向基體內(nèi)延伸，裂紋處無明顯氧化現(xiàn)象，裂紋周圍無異常夾雜物存在。用王水溶液腐蝕后進(jìn)行金相檢測，裂紋周圍組織為奧氏體組織，晶粒度為7.0級(jí)，見圖2(b)。與熱影響區(qū)組織明顯不同。熱影響區(qū)組織為正常柱狀晶組織，見圖2(c)。

從2#試樣剪切邊部位截取橫向試樣磨制、拋光后用王水溶液腐蝕后進(jìn)行金相檢測，結(jié)果見圖3。試樣邊部、中部的組織均為變形的奧氏體組織+馬氏體組織，其中邊部組織變形較中部嚴(yán)重。

圖1 焊接開裂試樣宏觀形貌Figure 1 Macro appearance of weld crack

表1 試樣化學(xué)成分檢測結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chem ical compositions detection result of specimen(mass fraction，%)

表2 HRB硬度檢測結(jié)果Table 2 Detection result of HRB hardness

表3 試樣非金屬夾雜物評(píng)級(jí)表Table 3 Nonmetallic inclusions grade evaluation of specimen

3 原因討論與控制措施

3.1 原因討論

通過化學(xué)成分分析知，試樣Ni、Cu元素含量偏低，P、S元素含量偏高?；瘜W(xué)成分不合格會(huì)降低材料的塑性和韌性。

非金屬夾雜物檢測發(fā)現(xiàn)，試樣中夾雜物級(jí)別不高，數(shù)量不多，裂紋周圍無異常夾雜物存在，說明開裂與夾雜物無關(guān)。

201屬亞穩(wěn)奧氏體不銹鋼，冷變形過程中極易誘發(fā)馬氏體相變，產(chǎn)生加工硬化，剪切邊處硬度高于遠(yuǎn)離焊縫基體的硬度和在剪切邊處發(fā)現(xiàn)的大量馬氏體組織可以驗(yàn)證以上觀點(diǎn)。

奧氏體型不銹鋼的熱導(dǎo)率小，線膨脹系數(shù)大。焊接前后，在焊接區(qū)焊接接頭和接頭附近的母材溫度變化較大，在熱應(yīng)力作用下極易使加工硬化的剪切邊處發(fā)生開裂或加劇裂紋擴(kuò)展。

綜上所述，焊接裂紋缺陷是由材料剪切過程中產(chǎn)生的加工硬化在焊接熱應(yīng)力作用下形成的。3.2 控制措施

根據(jù)裂紋形成的原因，可在三個(gè)方面進(jìn)行控制，降低裂紋發(fā)生的概率。

圖2 1#試樣金相檢測結(jié)果Figure 2 Metallographic detection result of1#specimen

3.2.1 注意選材

成分影響性能，化學(xué)成分不合格的產(chǎn)品一定會(huì)影響其使用性能;非金屬夾雜物的存在會(huì)作為應(yīng)力源引起應(yīng)力集中，是誘發(fā)201不銹鋼產(chǎn)生質(zhì)量問題的潛在隱患。選材前進(jìn)行化學(xué)成分分析和非金屬夾雜物檢測，對(duì)成分不合格的材料和非金屬夾雜物級(jí)別、數(shù)量較高的盡量不用。

3.2.2 控制剪切精度

剪切邊存在的大量剪切毛刺說明剪切時(shí)所用的剪刃間隙偏大，剪刃間隙偏大會(huì)造成剪切邊偏大，剪切邊偏大則會(huì)造成剪切時(shí)加工硬化區(qū)域偏大，更易誘發(fā)產(chǎn)生裂紋缺陷。選擇合適的剪刃間隙可以有效降低裂紋缺陷的產(chǎn)生。

圖3 2#試樣金相檢測結(jié)果Figure 3 Metallographic detection result of2#specimen

3.2.3 退火處理

加工硬化誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變是201產(chǎn)生裂紋的根本原因，進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚砜梢韵R氏體組織，從而降低裂紋產(chǎn)生的概率，這種熱處理方式用氣割就可完成，方便有效。

4 結(jié)論

201酸洗板在剪切過程中產(chǎn)生的加工硬化在焊接熱應(yīng)力的作用下形成裂紋缺陷。通過注意選材、控制剪切精度和退火處理可以有效防止裂紋缺陷的發(fā)生。

編輯 傅冬梅

Cause Analysis ofWeld Crack for MnCr Austenite Stainless Steel

M a Zhengwei

Regarding to crack failure of201 stainless steel welding，and by chemical composition analysis，hardness analysis and metallographic analysis，the crack cause has been found out，which was weld thermal stress crack from work hardening during shearing，therefore corresponding improvementmeasures have been brought up atmaterial selection，shearing process and heat treatment process.

MnCr austenite stainless steel;crack;weld;work hardening;thermal stress

TF764+.1

A

2013—12—12