不銹鋼封頭微裂紋成因分析

張健

國家再制造機械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心 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，采用材料牌號為06C r19N i10（代號S30408），俗稱304不銹鋼，厚度20mm；鋼板執(zhí)行標準為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

2.1 成分檢測

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斷口試樣成分進行檢測。檢測結(jié)果表明，樣品成分符合要求，見表1。

表1 樣品的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

2.2 基材金相檢測

對原始鋼板進行切割鑲嵌打磨，采用10%草酸水溶液進行電解拋光，發(fā)現(xiàn)鋼板以奧氏體為主，在平行鋼板厚度方向有大量的細長線狀組織（見圖3），并且發(fā)現(xiàn)線狀組織周圍有許多腐蝕坑（見圖4），草酸電解導(dǎo)致的腐蝕坑成因有待研究。為進一步進行驗證，采用10%NaOH水溶液進行電解拋光，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（見圖5），可以確定此類線狀、網(wǎng)狀組織是α-鐵素體組織[1]。這些線狀鐵素體長且細，寬度多在2μm以下。利用金相軟件對鐵素體含量進行測定，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，對原始鋼板和旋壓成形后的鋼板進行拉伸、彎曲試驗和硬度檢測，結(jié)果見表2。

表2 樣品力學(xué)性能測試結(jié)果

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

圖6 拉伸試樣斷口附近裂紋

圖7 拉伸試樣遠離斷口裂紋

圖8 彎曲內(nèi)表面裂紋

2.4 金相檢測

對拉伸所出現(xiàn)的微裂紋進行垂直截取鑲嵌，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，線狀鐵素體相對更加密集，且線狀組織表面更多，說明在拉伸過程中，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Ni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，但是成本過高。亞穩(wěn)態(tài)奧氏體距奧氏體-馬氏體相變相當近[3]，塑性變形易發(fā)生形變誘導(dǎo)馬氏體相變，在常溫下對奧氏體不銹鋼冷加工就會使部分奧氏體組織轉(zhuǎn)化為馬氏體，馬氏體的含量如果過多，會導(dǎo)致出現(xiàn)鐵磁性，綜合性能開始下降。此次鋼板由20mm壓縮至17mm，變形量超過15%，從力學(xué)性能測試結(jié)果和金相組織看，塑性變形導(dǎo)致強度提升和塑性下降，說明組織內(nèi)部發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)變[4]，馬氏體強度高而脆，奧氏體韌性強，由于二者伸長率不一，故容易導(dǎo)致變形過程中產(chǎn)生微裂紋。

鐵素體相對于奧氏體，其塑性和韌性較差，過多的鐵素體會對奧氏體鋼的可加工性產(chǎn)生負面影響。但鐵素體的含量控制到多少為宜，目前結(jié)論不一，部分國家標準如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)變強化》，要求成形后鐵素體含量不超過15%，也有部分文獻認為鐵素體含量不超過10%，所造成的影響就有限[5]。此次所觀測到鐵素體含量在8%～10%，但從實際結(jié)果看，鐵素體呈細長線狀分布，隨著塑性變形加劇，組織被壓縮，在鐵素體匯聚密集處發(fā)生開裂，說明線狀鐵素體對微裂紋的產(chǎn)生中起到了極大的促進作用。

另外，此次試驗還發(fā)現(xiàn)，原始鋼板硬度不均勻，且多處硬度超出國家標準要求，過高的硬度會影響原材料韌性，在經(jīng)過旋壓加工后，硬度上升更明顯，塑性下降更多，導(dǎo)致斷后伸長率下降嚴重。

4 結(jié)論與建議

1）原始鋼板硬度超標，存在大量線狀、網(wǎng)狀鐵素體，在進行旋壓加工過程中，誘發(fā)了馬氏體相變，導(dǎo)致材料塑性下降。與此同時，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，嚴重破壞了組織的均勻性，導(dǎo)致因此處強度減弱而出現(xiàn)裂紋。

2）對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)實操作難度大，故后續(xù)仍需通過控制原材料質(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)加強原材料檢測，避免出現(xiàn)硬度臨界的情況，當硬度偏高而伸長率偏低時，冷變形加工后韌性將下降過快；其次，應(yīng)盡量降低鐵素體的含量，尤其是避免出現(xiàn)大量細長線狀鐵素體。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，可實現(xiàn)在成本可控的前提下，減少微裂紋的出現(xiàn)概率。