模拟仿真 10Cr9MoVNbN无缝钢管热弯裂纹分析

10Cr9MoVNbN耐热钢是美国于20世纪70年代开发的马氏体型耐热钢，该材料因良好的淬透性、热强稳定性、耐高温腐蚀性以及在冷、热加工性能等方面具有突出优势[2-3],目前已经广泛地应用于亚临界、超临界蒸汽管道以及石油化工管道中[4-5]。该材质属于9Cr-1MoV系列的马氏体热强钢,研究者多年来主要针对该材料在长时高温应用下的性能变化以及寿命评估进行研究。但原材料热弯过程中的缺陷预防并未引起广泛重视,其原因分析工作少有报道。某加工厂的10Cr9MoVNbN无缝钢管在弯制过程中出现了裂纹,本文将对此进行研究,分析裂纹萌生的原因,并对弯制工艺参数的合理性进行分析,旨在深入研究工艺参数对10Cr9MoVNbN弯制的影响,达到预防缺陷的目的。1 试验材料及方法1.1 加工工艺及试验材料加工厂的弯制方式为热弯,采用中频感应加热的方式对钢管进行加热,加热温度为960～1 020 ℃,按照0.4 mm/s的速度推进钢管。试验材料取自出现裂纹的10Cr9MoVNbN无缝钢管,其化学成分见表1,弯管宏观图片见图1。表1 10Cr9MoVNbN材料的化学成分(质量分数%)点击输入图片描述（最多30字）点击输入图片描述（最多30字）图1 10Cr9MoVNbN弯管宏观形貌1.2 试验设备及方法本文用线切割的方式制备用于分析的金相试样、断口试样以及力学性能试样。用FeCl3和盐酸溶液腐蚀金相试样,并用Zeiss Axioyert 40 mat倒置金相显微镜观察金相组织。断口试样采用Supra55扫描电子显微镜进行观察。2 试验结果及讨论2.1金相分析裂纹位置的金相组织形貌见图2,由图2可知:该区域为晶粒粗大的回火马氏体组织,晶粒度已达到00级;试样内存在明显的裂纹,粗大的裂纹顶端呈圆盾状,局部位置存在沿晶扩展的细小裂纹;裂纹两侧未发现大量的δ-铁素体,裂纹附近的部分区域晶界发生粗化现象,放大后显示该区域晶界存在网状析出相。点击输入图片描述（最多30字）(a) 晶界析出相低倍组织形貌点击输入图片描述（最多30字）(b) 晶界析出相高倍组织形貌点击输入图片描述（最多30字）(c) 沿晶裂纹形貌
图2 10Cr9MoVNbN弯管裂纹区域金相组织形貌图3所示为远离裂纹位置的金相组织,该区域为正常的回火马氏体组织,晶粒明显比裂纹区域细小,晶粒度为04级,未发现裂纹以及晶界网状析出相等缺陷。点击输入图片描述（最多30字）图3 10Cr9MoVNbN弯管正常区域组织形貌2.2 微观分析在Supra 55扫描电子显微镜下观察裂纹位置的金相试样,照片见图4。由图4可见弯管裂纹附近区域的金相截面内有较多孔洞缺陷,孔洞沿晶界分布,个别区域孔洞发生连接,形成沿晶裂纹。点击输入图片描述（最多30字）(a) 沿晶裂纹微观形貌点击输入图片描述（最多30字）(b) 沿晶孔洞微观形貌点击输入图片描述（最多30字）(c)孔洞扩展微观形貌点击输入图片描述（最多30字）(d) 塑性变形流线形貌
图4 10Cr9MoVNbN弯管裂纹区域微观形貌图5为裂纹位置的断口微观形貌,可见断口表面氧化现象明显,断面已经被氧化物严重覆盖,但依然可辨别出沿晶断裂对应的晶界特征以及解理断裂对应的河流花样特征。沿晶断口内可见浅韧窝形貌,晶界表面可见条状析出相,这符合硫化物特征。沿晶断口区域发现大量的孔洞,孔洞内壁光滑,推测孔洞缺陷是由析出相熔化导致的。点击输入图片描述（最多30字）(a) 沿晶断面形貌点击输入图片描述（最多30字）(b) 解理断面形貌点击输入图片描述（最多30字）(c) 条状析出相形貌点击输入图片描述（最多30字）(d) 断面熔融形貌
图5 10Cr9MoVNbN弯管裂纹断口微观形貌3 分析讨论从弯管的金相分析结果来看,弯管的裂纹位置晶粒粗大,明显比正常区域的晶粒粗。根据组织长大的规律推测,裂纹位置的加热温度高于工艺要求,导致晶粒之间发生吞并,这造成了晶粒的异常长大,形成了粗大的原始奥氏体晶粒。继续对裂纹区域进行微观分析,发现此弯管试件的高温加热过程不仅导致晶粒变大,还导致弯管内部析出了低熔点的第二相。低熔点相在高温下发生熔化,导致晶界位置形成孔洞缺陷。孔洞缺陷在弯制过程中发生了连接和扩展,形成了裂纹。在钢材的实际热加工过程中,如果温度控制不当,会导致过热或者过烧的现象。当钢材处于过热温度时会发生晶粒长大的现象,并且钢中的含硫相会在基体中逐渐溶解,导致奥氏体中的含硫量达到过饱和的程度,在随后的冷却过程中奥氏体晶界位置处会析出硫化物。虽然过热会影响材料的性能,但重新调质可以消除缺陷,使材料恢复良好的机械性能[6]。但是如果材料的热处理温度高于过热温度,处于固-液线某一温度时,所造成的损伤便无法挽回。此时材料会在奥氏体晶界形成富硫液相,一方面导致晶界发生熔化,另一方面会导致磷元素从固相中析出,聚集在晶界位置,形成薄膜状FeP脆性相以及各种形状的硫化物,造成晶界强度降低,材料的脆性增加。此外,从裂纹区域附近材料的组织分析结果来看,其余区域组织均为正常的马氏体回火组织,晶粒细小,组织均匀,未发生晶粒长大等异常现象。以上结果表明所选择的弯制工艺参数与10Cr9MoVNbN无缝钢管适配性良好,裂纹的萌生与理论工艺参数的选择无关。4 结 论本文针对10Cr9MoVNbN无缝钢管裂纹萌生的原因进行了分析,利用金相显微镜和扫描电镜将裂纹区域和正常区域的金相组织进行了比对,并对裂纹区的断口形貌进行了观察,得到如下结论:1)10Cr9MoVNbN无缝钢管的热弯过程对温度较为敏感,实际操作中的超温导致的晶粒粗化和晶界过烧是钢管开裂的主要原因;2)弯制工艺中理论温度的参数选择合理,与10Cr9MoVNbN无缝钢管存在很好的适配性,弯制工艺过程的参数选择并无不当。管热弯裂纹分析

10Cr9MoVNbN耐热钢是美国于20世纪70年代开发的马氏体型耐热钢,该材料因良好的淬透性、热强稳定性、耐高温腐蚀性以及在冷、热加工性能等方面具有突出优势[2-3],目前已经广泛地应用于亚临界、超临界蒸汽管道以及石油化工管道中[4-5]。

该材质属于9Cr-1MoV系列的马氏体热强钢,研究者多年来主要针对该材料在长时高温应用下的性能变化以及寿命评估进行研究。但原材料热弯过程中的缺陷预防并未引起广泛重视,其原因分析工作少有报道。

某加工厂的10Cr9MoVNbN无缝钢管在弯制过程中出现了裂纹,本文将对此进行研究,分析裂纹萌生的原因,并对弯制工艺参数的合理性进行分析,旨在深入研究工艺参数对10Cr9MoVNbN弯制的影响,达到预防缺陷的目的。

1 试验材料及方法

1.1 加工工艺及试验材料

加工厂的弯制方式为热弯,采用中频感应加热的方式对钢管进行加热,加热温度为960～1 020 ℃,按照0.4 mm/s的速度推进钢管。

试验材料取自出现裂纹的10Cr9MoVNbN无缝钢管,其化学成分见表1,弯管宏观图片见图1。

表1 10Cr9MoVNbN材料的化学成分(质量分数%)

图1 10Cr9MoVNbN弯管宏观形貌

1.2 试验设备及方法

本文用线切割的方式制备用于分析的金相试样、断口试样以及力学性能试样。用FeCl3和盐酸溶液腐蚀金相试样,并用Zeiss Axioyert 40 mat倒置金相显微镜观察金相组织。断口试样采用Supra55扫描电子显微镜进行观察。

2 试验结果及讨论

2.1金相分析

裂纹位置的金相组织形貌见图2,由图2可知:该区域为晶粒粗大的回火马氏体组织,晶粒度已达到00级;试样内存在明显的裂纹,粗大的裂纹顶端呈圆盾状,局部位置存在沿晶扩展的细小裂纹;裂纹两侧未发现大量的δ-铁素体,裂纹附近的部分区域晶界发生粗化现象,放大后显示该区域晶界存在网状析出相。

(a) 晶界析出相低倍组织形貌

(b) 晶界析出相高倍组织形貌

(c) 沿晶裂纹形貌
图2 10Cr9MoVNbN弯管裂纹区域金相组织形貌

图3所示为远离裂纹位置的金相组织,该区域为正常的回火马氏体组织,晶粒明显比裂纹区域细小,晶粒度为04级,未发现裂纹以及晶界网状析出相等缺陷。

图3 10Cr9MoVNbN弯管正常区域组织形貌

2.2 微观分析

在Supra 55扫描电子显微镜下观察裂纹位置的金相试样,照片见图4。由图4可见弯管裂纹附近区域的金相截面内有较多孔洞缺陷,孔洞沿晶界分布,个别区域孔洞发生连接,形成沿晶裂纹。

(a) 沿晶裂纹微观形貌

(b) 沿晶孔洞微观形貌

(c)孔洞扩展微观形貌

(d) 塑性变形流线形貌
图4 10Cr9MoVNbN弯管裂纹区域微观形貌

图5为裂纹位置的断口微观形貌,可见断口表面氧化现象明显,断面已经被氧化物严重覆盖,但依然可辨别出沿晶断裂对应的晶界特征以及解理断裂对应的河流花样特征。沿晶断口内可见浅韧窝形貌,晶界表面可见条状析出相,这符合硫化物特征。沿晶断口区域发现大量的孔洞,孔洞内壁光滑,推测孔洞缺陷是由析出相熔化导致的。

(a) 沿晶断面形貌

(b) 解理断面形貌

(c) 条状析出相形貌

(d) 断面熔融形貌
图5 10Cr9MoVNbN弯管裂纹断口微观形貌

3 分析讨论

从弯管的金相分析结果来看,弯管的裂纹位置晶粒粗大,明显比正常区域的晶粒粗。根据组织长大的规律推测,裂纹位置的加热温度高于工艺要求,导致晶粒之间发生吞并,这造成了晶粒的异常长大,形成了粗大的原始奥氏体晶粒。

继续对裂纹区域进行微观分析,发现此弯管试件的高温加热过程不仅导致晶粒变大,还导致弯管内部析出了低熔点的第二相。低熔点相在高温下发生熔化,导致晶界位置形成孔洞缺陷。孔洞缺陷在弯制过程中发生了连接和扩展,形成了裂纹。

在钢材的实际热加工过程中,如果温度控制不当,会导致过热或者过烧的现象。当钢材处于过热温度时会发生晶粒长大的现象,并且钢中的含硫相会在基体中逐渐溶解,导致奥氏体中的含硫量达到过饱和的程度,在随后的冷却过程中奥氏体晶界位置处会析出硫化物。虽然过热会影响材料的性能,但重新调质可以消除缺陷,使材料恢复良好的机械性能[6]。

但是如果材料的热处理温度高于过热温度,处于固-液线某一温度时,所造成的损伤便无法挽回。此时材料会在奥氏体晶界形成富硫液相,一方面导致晶界发生熔化,另一方面会导致磷元素从固相中析出,聚集在晶界位置,形成薄膜状FeP脆性相以及各种形状的硫化物,造成晶界强度降低,材料的脆性增加。

此外,从裂纹区域附近材料的组织分析结果来看,其余区域组织均为正常的马氏体回火组织,晶粒细小,组织均匀,未发生晶粒长大等异常现象。以上结果表明所选择的弯制工艺参数与10Cr9MoVNbN无缝钢管适配性良好,裂纹的萌生与理论工艺参数的选择无关。

4 结 论

本文针对10Cr9MoVNbN无缝钢管裂纹萌生的原因进行了分析,利用金相显微镜和扫描电镜将裂纹区域和正常区域的金相组织进行了比对,并对裂纹区的断口形貌进行了观察,得到如下结论:

1)10Cr9MoVNbN无缝钢管的热弯过程对温度较为敏感,实际操作中的超温导致的晶粒粗化和晶界过烧是钢管开裂的主要原因;

2)弯制工艺中理论温度的参数选择合理,与10Cr9MoVNbN无缝钢管存在很好的适配性,弯制工艺过程的参数选择并无不当。