不锈钢焊管压扁试验开裂原因的分析与对策

压扁试验是检验钢管质量的方法之一，通过分析压扁试验开裂原因来采取相应手段可解决不锈钢焊管压扁试验开裂问题。实验采用扫描电子显微镜（ＳＥＭ）、能谱仪（ＥＤＳ）和金相显微镜（ＯＭ）等设备对不锈钢焊管压扁试验开裂的原因主要进行两方面分析：金相分析和断口分析。金相分析可得出主要结论，断口分析验证金相分析得出最终结论。结果表明：不锈钢焊管压扁试验开裂的主要原因为不锈钢焊管内存在大量的硅酸盐类夹杂物，此类夹杂物属于高温塑性夹杂物，容易破坏基体的横向连续性，在压扁试验中可引起应力集中，促使裂纹的形成，导致钢管开裂。不锈钢焊管开裂的次要原因为试样存在带状组织且铁素体晶界处还分布着网状三次渗碳体，三次渗碳体塑性差，压扁时会进一步加剧裂纹的扩展。通过分析开裂的原因进而对不锈钢焊管生产工艺进行优化，经过钢包精炼炉（ＬＦ）精炼与控轧控冷技术可减少钢中夹杂物，进而改善不锈钢焊管压扁开裂问题，使钢管失效率下降，提高不锈钢焊管的质量。

随着我国工业的快速发展，对于钢材的质量要求也越来越严格。其中一般结构管，如一般建筑物、土建工程、铁塔等钢管作为建筑行业的基本材料，主要通过压扁试验、力学拉伸试验和高温疲劳试验等测试手段来评定不锈钢焊管的质量。其中压扁试验是检验管材在给定条件下压扁变形而不出现裂纹缺陷的极限塑性变形能力，其优点在于可以快速得出检验结果。某钢管厂生产的２６．８ｍｍ不锈钢焊管，在压扁试验中开裂，导致钢管销售量急剧下降。本文通过检验压扁后钢管的开裂和形变程度，进行综合分析找出开裂原因，优化相关操作与工艺，从而提高钢管的性能指标。

１实验材料与方法

此试验材料为国内某钢管厂产品，所使用的钢材为Ｑ２３５Ｂ普通碳素结构钢经热轧制而成，规格为外径２６．８ｍｍ，壁厚２．７５ｍｍ。Ｑ２３５Ｂ使用８０ｔ的氧气顶吹转炉（ＢＯＦ）进行冶炼，该厂并未使用钢包精炼炉（ＬＦ）精炼手段，连铸坯的断面尺寸为１８０ｍｍ×１５００ｍｍ。其化学成分如表１所示，钢板生产工艺及性能参数如表２所示。不锈钢焊管生产流程为炼钢→连铸→热轧→酸洗→纵剪→卷曲成型→测压装置→焊接→去内外毛刺→冷却→定颈→切管。该钢管的化学成分符合ＧＢ／Ｔ６９９—２００８《优质碳素钢》标准要求。

用该钢管制取拉伸试样，试样类型为管段试样，按ＧＢ／Ｔ２２８．１—２０１０《金属材料拉伸试验第１部分：室温试验方法》标准进行测试，结果符合标准中的要求，如表３所示。

对钢管开裂部位进行切割取样，分别切取横截面与纵截面，如图１所示。用工具将裂纹处打开制备成断口试样。将制备好的试样进行磨抛、超声清洗、烘干，使用扫描电子显微镜、能谱仪、金相显微镜等仪器进行综合分析，并将试样用４％的硝酸酒精腐蚀后利用金相显微镜观察其组织。

２实验结果与分析

２．１金相分析

利用ＪＥＭ－２８００Ｆ聚焦离子束－电子束双束电镜及能谱仪（美国ＦＥＩ仪器有限公司）对横截面与纵截面进行观察与分析，发现裂纹深度可达０．６ｍｍ，裂纹附近存在链条状夹杂物，裂纹长度宽窄不一，部分裂纹长度可达１ｍｍ；对夹杂物进行成分分析，发现其主要含有Ｏ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃａ、Ｍｎ等元素。根据ＧＢ／Ｔ１０５６１—２００５《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》标准对该夹杂物进行分类与评级，评级结果如表４所示。试样横裂纹与纵裂纹夹杂物形貌与成分如图２、图３所示。

从图２中可以看出夹杂物的主要成分为ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｎＯ等Ｃ类夹杂物，同时也发现裂纹的扩展是沿着夹杂物的方向进行。对纵截面试样中大量存在的长条状夹杂物能谱分析发现此类夹杂物也是Ｃ类夹杂物。Ｃ类硅酸盐夹杂物属于塑性夹杂物，在轧制过程中会碾压成长条状，破坏钢的横向连续性、降低钢的加工性能。金属材料受力断裂的形成可分为３个阶段：裂纹萌生、裂纹扩展、断裂。当钢管中存在大量硅酸盐类夹杂物时，试样在进行压扁试验中会在夹杂物处产生微裂纹，当形变达到一定值时会出现开裂缺陷。大量的硅酸盐条状夹杂，一方面破坏金属基体，使金属基体不连续，另一方面，夹杂物与基体界面处是应力集中区，容易在载荷作用下萌生裂纹，当载荷增加到一定值时，微裂纹将不断进行扩展，最终造成试样断裂。硅酸盐类夹杂物的主要成分为ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３与ＭｎＯ；ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３与ＭｎＯ夹杂物产生的主要原因是钢利用铝脱氧和使用硅铁、锰铁合金作为添加剂时形成高温塑性夹杂物，此类夹杂物的大量存在将严重影响钢管的横向力学性能。大量硅酸盐类夹杂物的存在也是造成钢管压扁试验开裂的主要原因。

用４％的硝酸酒精腐蚀后利用蔡司金相显微镜观察试样的组织大小及成分，根据ＧＢ／Ｔ６３９４—２０１７《金属平均晶粒度测定方法》标准中比较法对试样进行评级，结果显示为８．０级。组织成分主要为铁素体＋珠光体，存在带状组织，没有发现魏氏组织。根据晶粒大小与成分可以判定试样没有过热、过烧等情况。对金相试样进行观察时发现在铁素体晶界处分布着明显的三次渗碳体组织，相互连接包围着铁素体晶粒，形成近似于网状的组织，如图４所示。根据铁碳相图可知，试验钢属于亚共析钢，在共析转变时珠光体中的铁素体依附在先共析铁素体上生长，当继续冷却时，使得铁素体中析出的三次渗碳体在晶界上分布。

文献表明，造成压扁试验试样不合格的金相组织有带状组织、魏氏组织和三次渗碳体组织等。带状组织形成的主要原因为成分偏析与热加工温度不当，当钢中夹杂物含量较多时，夹杂物可作为先共析铁素体形核的核心，先共析铁素体在夹杂物周围形成，而奥氏体则转变为珠光体形成带状组织，夹杂物引起的带状组织会破坏钢基体的连续性，造成钢管压扁试验工艺的不合格。魏氏组织是在轧制过程中冷却速度过快或加热温度过高而造成的，魏氏体的组织特征为粗大的奥氏体晶粒内存在大量平行的铁素体，魏氏体组织不仅晶粒粗大，而且大量的片状铁素体使钢材的力学性能急速下降。对试样的显微组织观察中没有发现魏氏组织，但存在带状组织与三次渗碳体组织。

由于渗碳体的硬度值很高，脆性较大，强度和塑形较低，伸长率几乎为０，因此低碳钢的塑性变形主要发生在铁素体中，在钢受到载荷作用时渗碳体阻碍了基体的变形能力。当铁素体变形受到三次渗碳体的阻碍时，位错就在滑移面阻碍前堆积起来，使得应力集中，当应力达到基体的强度极限时，发生开裂。三次渗碳体的产生与冷却温度有关，在终轧到卷曲温度之间发生共析反应，如果此时冷却速度过慢出现缓冷现象，则加剧三次渗碳体的析出。

２．２断口分析

用工具将裂纹处打开制成断口试样，通过扫描电镜与金相显微镜对试样进行观察与分析发现，裂纹为木纹层状断口形貌，表面有很多纵向分布的裂纹，属于典型的层状断裂形貌，说明存在带状组织。对纵向分布的裂纹进行放大观察，发现断口内是纵向分布的夹杂物，对夹杂物进行能谱分析，发现其主要成分为ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３与ＭｎＯ，与金相样品中存在的长条状夹杂物成分一致，如图５所示。经分析可知，裂纹萌生处有大量纵向分布的长条状夹杂物，裂纹从此处产生，在随后的过程中裂纹扩展，最终开裂，缺陷的断口形貌分析结果验证了金相试验分析的结果。

３小结

通过以上分析发现，造成试验钢不合格的主要原因为基体中存在着大量硅酸盐类夹杂物，次要原因为存在带状组织且晶界处有较多的三次渗碳体，使得基体的塑性变差，加剧了压扁试验开裂的产生。针对以上试样不合格原因，提出以下改进措施。

（１）使用ＬＦ精炼设备减少钢液的夹杂物，进一步提高钢水质量，提高钢液的纯净度。

（２）优化炼钢工艺，保护浇注，防止二次氧化，减少Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２夹杂物的生成。

（３）严格控制轧制过程中的冷却速度，避免缓冷现象，定期检查风机是否故障，减少网状三次渗碳体的析出量。

４改进后的效果

通过ＬＦ精炼炉处理后的产品，其性能得到有效改善，对产品的抽查过程中没有发现压扁试验开裂现象，通过金相分析发现试样内的硅酸盐类夹杂物明显减少，Ｃ类夹杂物等级在１．５级以下。带状组织与网状三次渗碳体的析出量也有所下降，网状三次渗碳体等级在０．５级左右。