針對06Cr18Ni11Ti無縫不銹鋼管的外部焊縫附近發(fā)現(xiàn)的表面裂紋，結(jié)合材料力學(xué)性能、化學(xué)成分、腐蝕性能以及焊縫附近裂紋擴(kuò)展形態(tài)、金相組織、氧化物形貌、微區(qū)成分等微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入探討。結(jié)果表明：06Cr18Ni11Ti鋼管材質(zhì)正常，各項性能指標(biāo)符合要求。裂紋距焊縫熱影響區(qū)外邊緣約2mm，且裂紋符合典型折疊缺陷特征，是由于鋼管在熱加工過程中表面未清理干凈造成的，與焊接工藝無關(guān)，同時提出管材加工改進(jìn)建議。
06Cr18Ni11Ti不銹鋼是在Cr-Ni基奧氏體不銹鋼基礎(chǔ)上添加Ti元素，從而提高其抗晶間腐蝕性能、高溫力學(xué)性能、焊接性能，目前被廣泛用于各種中低壓鍋爐的換熱器、煙管、蒸汽管、沸水管等結(jié)構(gòu)管件[1-6]，該類鋼管在使用過程中也會經(jīng)常發(fā)生失效現(xiàn)象[7-11]。某廠在進(jìn)行?80mm×8mm規(guī)格管件焊接作業(yè)時，發(fā)現(xiàn)管件號為ED7-1的一根支管，在焊縫附近的外表面出現(xiàn)一條肉眼可見的條狀線性裂紋。本文以該裂紋為研究對象，分別采用NCSNT100單軸拉伸試驗機(jī)進(jìn)行宏觀力學(xué)性能測試，用ZEISS40MAT金相顯微鏡觀察裂紋截面金相組織，利用HITACHIS4300冷場發(fā)射掃描電鏡進(jìn)行微觀組織觀察與EDS能譜分析，深入探討裂紋產(chǎn)生的原因。
1裂紋宏觀特征
煉制的06Cr18Ni11Ti無縫不銹鋼管經(jīng)過冶煉、熱鍛（熱擠壓）、軋制等工藝，制成?110mm×10mm、?90mm×4mm、?80mm×8mm等多種規(guī)格，交貨狀態(tài)為經(jīng)固溶處理、酸洗加工后的鋼管。采用體視顯微鏡檢查ED7-1樣品裂紋處外表面，如圖1所示。測量的裂紋距焊接熱影響區(qū)2mm左右，長度約7mm。其他部位未見異常。
2試驗結(jié)果
2.1化學(xué)分析結(jié)果
對管件進(jìn)行隨機(jī)取樣，按照國標(biāo)GB/T11170—2008方法進(jìn)行化學(xué)分析，化學(xué)成分技術(shù)要求與檢測結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，其C，Si，Mn，P，S，Ni，Cr，Ti，Co，B等元素符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。
2.2力學(xué)性能分析
2.2.1拉伸性能無縫不銹鋼的室溫與高溫拉伸試驗結(jié)果如圖2所示，通過單軸拉伸試驗曲線可以看出，管材的室溫抗拉強度可以達(dá)到600MPa，屈服強度為230MPa，斷后伸長率在50%以上。經(jīng)350℃高溫拉伸后，抗拉強度仍然可以達(dá)到400MPa，屈服強度也高于180MPa，同時具有35%的斷后伸長率，表明強度與塑性指標(biāo)均滿足或高于技術(shù)要求（技術(shù)要求指出室溫抗拉強度高于500MPa，斷后伸長率在40%以上；350℃高溫拉伸抗拉強度高于350MPa，斷后伸長率在25%以上）。
2.2.2擴(kuò)口與壓扁試驗
按照GB/T242標(biāo)準(zhǔn)，采取冷切割方式截取部分管材樣品，擴(kuò)口試驗采用頂芯角β＝60°的圓錐頂芯，擴(kuò)口率Xd＝30%，試驗后管壁未發(fā)現(xiàn)裂紋和開裂現(xiàn)象，如圖3（a）所示。按GB/T246壓扁試驗規(guī)定進(jìn)行的兩階段試驗表明，管材表面未發(fā)現(xiàn)分層或明顯不均勻，如圖3（b）所示。
2.3晶間腐蝕性能
按照GB/T4334—2008標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，分別切取管材內(nèi)外表面樣品進(jìn)行晶間腐蝕試驗。結(jié)果表明，腐蝕后樣品表面光滑，未發(fā)現(xiàn)因晶間腐蝕而產(chǎn)生的裂紋傾向，如圖4所示。
2.4金相分析
圖5給出了樣品裂紋橫截面整體形貌拼圖，可以看出，裂紋擴(kuò)展方向并非垂直于管材表面，而是呈傾斜形態(tài)與表面夾角約20°銳角，裂紋縱深長度約1.1mm，尖端距管材表面約200μm。同時可以清晰地看出，裂紋內(nèi)部有明顯分叉現(xiàn)象，并且裂紋左右兩側(cè)并不能完整咬合，說明并非因應(yīng)力產(chǎn)生的撕裂裂紋，如圖5（a）所示。采用10%草酸水溶液對不銹鋼電解腐蝕，腐蝕過后發(fā)現(xiàn)裂紋附近晶粒為較完整等軸晶粒，已經(jīng)無拉長形貌，且內(nèi)壁兩側(cè)存在一層附著物，如圖5（b）所示。經(jīng)過整體浸蝕后，母材、焊接區(qū)域與熱影響區(qū)晶粒清晰可見，裂紋尖端與熱影響區(qū)外邊緣間距約2mm。因此ED7-1焊縫附近裂紋位于母材表面而非焊縫或熱影響區(qū)部位，如圖5（c）所示。金相試驗結(jié)果說明，裂紋的起源并非焊縫位置，而是遠(yuǎn)離熱影響區(qū)的母材部位，因此焊接工藝不是造成材料失效及裂紋產(chǎn)生的直接原因。此外，裂紋周圍并未發(fā)現(xiàn)有引起開裂的夾雜物，也無流變的組織特征，裂紋附近與基體均為等軸晶粒組織，并無因拉應(yīng)力作用而產(chǎn)生的拉長晶粒出現(xiàn)，進(jìn)一步表明裂紋并非是由應(yīng)力產(chǎn)生的撕裂裂紋。
2.5掃描電鏡分析
為進(jìn)一步確定造成材料產(chǎn)生裂紋的直接原因，對樣品裂紋進(jìn)行掃描電鏡觀察與分析，如圖6（a）所示。可以看出，除前期肉眼可見總長約7mm的宏觀裂紋，裂紋一端具有常見于連鑄坯、鍛件、冷軋等加工過程出現(xiàn)的輕微起皮特征[9-11]。分別在無裂紋區(qū)域、裂紋端頭、裂紋邊緣區(qū)域進(jìn)行成分檢測分析，結(jié)果表明，其成分組成均為國家產(chǎn)品技術(shù)要求范圍以內(nèi)的C、Fe、Ni、Si、Cr、Mn、Ti等06Cr18Ni11Ti不銹鋼常規(guī)元素，同時在裂紋附近多點檢測也未發(fā)現(xiàn)元素偏析現(xiàn)象，以及大型氣泡、疏松、夾雜物顆粒等缺陷。裂紋形貌與成分分析如圖6（b）、6（c）所示。
將裂紋橫截面進(jìn)行鑲嵌，分析裂紋內(nèi)壁兩側(cè)附著物屬性，結(jié)果如圖7所示?？梢?，裂紋截面內(nèi)壁兩側(cè)分布著一層厚度不均且并無晶粒取向特性的附著物，經(jīng)能譜掃描分析，可見裂紋內(nèi)壁為含O、Cr、Fe等元素的氧化物，而這些Cr類氧化物是在高溫加工過程中由于管材表面未清理干凈而發(fā)生氧化后的產(chǎn)物。同時，圖7（b）中出現(xiàn)的Au、Si、Ca等元素譜峰，均是樣品在拋光、噴金等制備過程中外部引入的異物。
2.6裂紋形成原因分析
將裂紋沿裂紋折疊方向打開進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)微觀組織結(jié)構(gòu)清晰，存在均勻分布帶有大量長條狀或塊狀組織的原有裂紋區(qū)域以及具有典型韌窩組織特征的新斷裂區(qū)域，如圖8所示。原有裂紋內(nèi)部觀察可知其表面均勻分布大量長條或塊狀組織，如圖8（a）所示。進(jìn)一步高倍觀察及能譜分析可知，這種不規(guī)則長條或塊狀組織為典型Fe、Cr類氧化物組織，如圖8（b）、8（d）所示。而新斷裂區(qū)域為由于管材本身具有良好的塑性，微觀形貌為典型拉長韌窩組織，如圖8（c）所示。試驗結(jié)果表明，管材裂紋內(nèi)部夾雜著一層Fe、Cr類氧化物，與裂紋截面掃描分析結(jié)果一致。進(jìn)一步證明裂紋內(nèi)部氧化物是在前期高溫鍛造時由于材料表面發(fā)生了氧化，且在后期未清洗處理干凈，導(dǎo)致在后續(xù)的軋制或者鍛造過程中氧化物被壓入到材料內(nèi)部而形成折疊裂紋。
3分析與討論
裂紋距焊接熱影響區(qū)約2mm，如圖5（c）所示。在微觀檢查中，裂紋附近未發(fā)現(xiàn)具有焊接熱影響區(qū)或焊縫特征組織，表明裂紋產(chǎn)生位置為不銹鋼管材表面，與焊接工藝本身無關(guān)。
通過裂紋橫截面金相觀察，可見裂紋擴(kuò)展方向并非垂直于材料表面縱深發(fā)展，而是沿內(nèi)表面約20°方向，縱深長度約1.1mm。裂紋尖端距材料表面約200μm，呈傾斜形態(tài)，且內(nèi)部有分叉現(xiàn)象。裂紋兩側(cè)紋路并不規(guī)則，因此判定并非是因受到應(yīng)力而產(chǎn)生的應(yīng)力斷裂裂紋。掃描電鏡結(jié)果如圖6所示，裂紋處具有明顯且常見于連鑄坯、鍛件、軋制件的典型起皮特征。對其附近基體進(jìn)行能譜分析，譜峰顯示均為材料成分內(nèi)元素，未發(fā)現(xiàn)Sb、Sn、Pb、Ce、Bi等特殊有害元素，成分合格，且性能正常。
裂紋內(nèi)部存在薄膜狀氧化物，證明裂紋產(chǎn)生是由氧化物造成的。而氧化物含有Cr，則說明氧化物在高溫過程中產(chǎn)生；裂紋延伸長度距離表面位置較短，則進(jìn)一步說明最初這些氧化物均在材料的初始表面形成，后期加工進(jìn)入材料內(nèi)部；結(jié)合高溫、氧化、裂紋擴(kuò)展的長度特征可判斷，只能是在鍛造或者軋制過程中產(chǎn)生。裂紋具體形成過程為：不銹鋼在軋制或者鍛造熱加工時將表面附著未清理干凈的氧化物軋入到鋼的淺表層，并在后續(xù)的鍛造過程中發(fā)生起皮現(xiàn)象，形成折疊裂紋。
除表面金屬氧化的因素外，折疊缺陷的形成還與原材料和坯料的形狀、模具的形狀、成形工序的安排、潤滑情況及鍛造的實際操作等有關(guān)。折疊缺陷通常具有如下特征：（1）折紋擴(kuò)展趨勢與周圍金屬變形流線一致；（2）缺陷斜向擴(kuò)展，與表面呈小角度；（3）缺陷呈星角狀，尖端比較圓鈍；（4）裂紋兩側(cè)不能完整匹配；（5）缺陷表面以氧化為主，沒有斷裂形態(tài)[12-14]。本文分析的缺陷形態(tài)符合上述特征，故可推斷鋼管的表面裂紋屬于在熱加工過程中形成的折疊缺陷。
4結(jié)論
（1）煉制的06Cr18Ni11Ti管材具有良好的力學(xué)性能與塑性變形能力，各項性能指標(biāo)均符合國家標(biāo)準(zhǔn)及廠家技術(shù)規(guī)范要求。
（2）裂紋為典型折疊裂紋，與鋼管本身材質(zhì)無關(guān)，屬于熱加工時外部因素產(chǎn)生的熱加工缺陷。
（3）建議管材在熱加工過程避免出現(xiàn)加熱不均勻現(xiàn)象，同時磨床修磨與人工修磨相結(jié)合，使得修磨更加徹底，避免整體粗磨時掩蓋缺陷的問題。