模擬仿真 10Cr9MoVNbN無縫鋼管熱彎裂紋分析

10Cr9MoVNbN耐熱鋼是美國于20世紀70年代開發的馬氏體型耐熱鋼，該材料因良好的淬透性、熱強穩定性、耐高溫腐蝕性以及在冷、熱加工性能等方面具有突出優勢[2-3],目前已經廣泛地應用于亞臨界、超臨界蒸汽管道以及石油化工管道中[4-5]。該材質屬于9Cr-1MoV系列的馬氏體熱強鋼,研究者多年來主要針對該材料在長時高溫應用下的性能變化以及壽命評估進行研究。但原材料熱彎過程中的缺陷預防并未引起廣泛重視,其原因分析工作少有報道。某加工廠的10Cr9MoVNbN無縫鋼管在彎制過程中出現了裂紋,本文將對此進行研究,分析裂紋萌生的原因,并對彎制工藝參數的合理性進行分析,旨在深入研究工藝參數對10Cr9MoVNbN彎制的影響,達到預防缺陷的目的。1 試驗材料及方法1.1 加工工藝及試驗材料加工廠的彎制方式為熱彎,采用中頻感應加熱的方式對鋼管進行加熱,加熱溫度為960～1 020 ℃,按照0.4 mm/s的速度推進鋼管。試驗材料取自出現裂紋的10Cr9MoVNbN無縫鋼管,其化學成分見表1,彎管宏觀圖片見圖1。表1 10Cr9MoVNbN材料的化學成分(質量分數%)點擊輸入圖片描述（最多30字）點擊輸入圖片描述（最多30字）圖1 10Cr9MoVNbN彎管宏觀形貌1.2 試驗設備及方法本文用線切割的方式制備用于分析的金相試樣、斷口試樣以及力學性能試樣。用FeCl3和鹽酸溶液腐蝕金相試樣,并用Zeiss Axioyert 40 mat倒置金相顯微鏡觀察金相組織。斷口試樣采用Supra55掃描電子顯微鏡進行觀察。2 試驗結果及討論2.1金相分析裂紋位置的金相組織形貌見圖2,由圖2可知:該區域為晶粒粗大的回火馬氏體組織,晶粒度已達到00級;試樣內存在明顯的裂紋,粗大的裂紋頂端呈圓盾狀,局部位置存在沿晶擴展的細小裂紋;裂紋兩側未發現大量的δ-鐵素體,裂紋附近的部分區域晶界發生粗化現象,放大后顯示該區域晶界存在網狀析出相。點擊輸入圖片描述（最多30字）(a) 晶界析出相低倍組織形貌點擊輸入圖片描述（最多30字）(b) 晶界析出相高倍組織形貌點擊輸入圖片描述（最多30字）(c) 沿晶裂紋形貌
圖2 10Cr9MoVNbN彎管裂紋區域金相組織形貌圖3所示為遠離裂紋位置的金相組織,該區域為正常的回火馬氏體組織,晶粒明顯比裂紋區域細小,晶粒度為04級,未發現裂紋以及晶界網狀析出相等缺陷。點擊輸入圖片描述（最多30字）圖3 10Cr9MoVNbN彎管正常區域組織形貌2.2 微觀分析在Supra 55掃描電子顯微鏡下觀察裂紋位置的金相試樣,照片見圖4。由圖4可見彎管裂紋附近區域的金相截面內有較多孔洞缺陷,孔洞沿晶界分布,個別區域孔洞發生連接,形成沿晶裂紋。點擊輸入圖片描述（最多30字）(a) 沿晶裂紋微觀形貌點擊輸入圖片描述（最多30字）(b) 沿晶孔洞微觀形貌點擊輸入圖片描述（最多30字）(c)孔洞擴展微觀形貌點擊輸入圖片描述（最多30字）(d) 塑性變形流線形貌
圖4 10Cr9MoVNbN彎管裂紋區域微觀形貌圖5為裂紋位置的斷口微觀形貌,可見斷口表面氧化現象明顯,斷面已經被氧化物嚴重覆蓋,但依然可辨別出沿晶斷裂對應的晶界特征以及解理斷裂對應的河流花樣特征。沿晶斷口內可見淺韌窩形貌,晶界表面可見條狀析出相,這符合硫化物特征。沿晶斷口區域發現大量的孔洞,孔洞內壁光滑,推測孔洞缺陷是由析出相熔化導致的。點擊輸入圖片描述（最多30字）(a) 沿晶斷面形貌點擊輸入圖片描述（最多30字）(b) 解理斷面形貌點擊輸入圖片描述（最多30字）(c) 條狀析出相形貌點擊輸入圖片描述（最多30字）(d) 斷面熔融形貌
圖5 10Cr9MoVNbN彎管裂紋斷口微觀形貌3 分析討論從彎管的金相分析結果來看,彎管的裂紋位置晶粒粗大,明顯比正常區域的晶粒粗。根據組織長大的規律推測,裂紋位置的加熱溫度高于工藝要求,導致晶粒之間發生吞并,這造成了晶粒的異常長大,形成了粗大的原始奧氏體晶粒。繼續對裂紋區域進行微觀分析,發現此彎管試件的高溫加熱過程不僅導致晶粒變大,還導致彎管內部析出了低熔點的第二相。低熔點相在高溫下發生熔化,導致晶界位置形成孔洞缺陷。孔洞缺陷在彎制過程中發生了連接和擴展,形成了裂紋。在鋼材的實際熱加工過程中,如果溫度控制不當,會導致過熱或者過燒的現象。當鋼材處于過熱溫度時會發生晶粒長大的現象,并且鋼中的含硫相會在基體中逐漸溶解,導致奧氏體中的含硫量達到過飽和的程度,在隨后的冷卻過程中奧氏體晶界位置處會析出硫化物。雖然過熱會影響材料的性能,但重新調質可以消除缺陷,使材料恢復良好的機械性能[6]。但是如果材料的熱處理溫度高于過熱溫度,處于固-液線某一溫度時,所造成的損傷便無法挽回。此時材料會在奧氏體晶界形成富硫液相,一方面導致晶界發生熔化,另一方面會導致磷元素從固相中析出,聚集在晶界位置,形成薄膜狀FeP脆性相以及各種形狀的硫化物,造成晶界強度降低,材料的脆性增加。此外,從裂紋區域附近材料的組織分析結果來看,其余區域組織均為正常的馬氏體回火組織,晶粒細小,組織均勻,未發生晶粒長大等異常現象。以上結果表明所選擇的彎制工藝參數與10Cr9MoVNbN無縫鋼管適配性良好,裂紋的萌生與理論工藝參數的選擇無關。4 結 論本文針對10Cr9MoVNbN無縫鋼管裂紋萌生的原因進行了分析,利用金相顯微鏡和掃描電鏡將裂紋區域和正常區域的金相組織進行了比對,并對裂紋區的斷口形貌進行了觀察,得到如下結論:1)10Cr9MoVNbN無縫鋼管的熱彎過程對溫度較為敏感,實際操作中的超溫導致的晶粒粗化和晶界過燒是鋼管開裂的主要原因;2)彎制工藝中理論溫度的參數選擇合理,與10Cr9MoVNbN無縫鋼管存在很好的適配性,彎制工藝過程的參數選擇并無不當。管熱彎裂紋分析

10Cr9MoVNbN耐熱鋼是美國于20世紀70年代開發的馬氏體型耐熱鋼,該材料因良好的淬透性、熱強穩定性、耐高溫腐蝕性以及在冷、熱加工性能等方面具有突出優勢[2-3],目前已經廣泛地應用于亞臨界、超臨界蒸汽管道以及石油化工管道中[4-5]。

該材質屬于9Cr-1MoV系列的馬氏體熱強鋼,研究者多年來主要針對該材料在長時高溫應用下的性能變化以及壽命評估進行研究。但原材料熱彎過程中的缺陷預防并未引起廣泛重視,其原因分析工作少有報道。

某加工廠的10Cr9MoVNbN無縫鋼管在彎制過程中出現了裂紋,本文將對此進行研究,分析裂紋萌生的原因,并對彎制工藝參數的合理性進行分析,旨在深入研究工藝參數對10Cr9MoVNbN彎制的影響,達到預防缺陷的目的。

1 試驗材料及方法

1.1 加工工藝及試驗材料

加工廠的彎制方式為熱彎,采用中頻感應加熱的方式對鋼管進行加熱,加熱溫度為960～1 020 ℃,按照0.4 mm/s的速度推進鋼管。

試驗材料取自出現裂紋的10Cr9MoVNbN無縫鋼管,其化學成分見表1,彎管宏觀圖片見圖1。

表1 10Cr9MoVNbN材料的化學成分(質量分數%)

圖1 10Cr9MoVNbN彎管宏觀形貌

1.2 試驗設備及方法

本文用線切割的方式制備用于分析的金相試樣、斷口試樣以及力學性能試樣。用FeCl3和鹽酸溶液腐蝕金相試樣,并用Zeiss Axioyert 40 mat倒置金相顯微鏡觀察金相組織。斷口試樣采用Supra55掃描電子顯微鏡進行觀察。

2 試驗結果及討論

2.1金相分析

裂紋位置的金相組織形貌見圖2,由圖2可知:該區域為晶粒粗大的回火馬氏體組織,晶粒度已達到00級;試樣內存在明顯的裂紋,粗大的裂紋頂端呈圓盾狀,局部位置存在沿晶擴展的細小裂紋;裂紋兩側未發現大量的δ-鐵素體,裂紋附近的部分區域晶界發生粗化現象,放大后顯示該區域晶界存在網狀析出相。

(a) 晶界析出相低倍組織形貌

(b) 晶界析出相高倍組織形貌

(c) 沿晶裂紋形貌
圖2 10Cr9MoVNbN彎管裂紋區域金相組織形貌

圖3所示為遠離裂紋位置的金相組織,該區域為正常的回火馬氏體組織,晶粒明顯比裂紋區域細小,晶粒度為04級,未發現裂紋以及晶界網狀析出相等缺陷。

圖3 10Cr9MoVNbN彎管正常區域組織形貌

2.2 微觀分析

在Supra 55掃描電子顯微鏡下觀察裂紋位置的金相試樣,照片見圖4。由圖4可見彎管裂紋附近區域的金相截面內有較多孔洞缺陷,孔洞沿晶界分布,個別區域孔洞發生連接,形成沿晶裂紋。

(a) 沿晶裂紋微觀形貌

(b) 沿晶孔洞微觀形貌

(c)孔洞擴展微觀形貌

(d) 塑性變形流線形貌
圖4 10Cr9MoVNbN彎管裂紋區域微觀形貌

圖5為裂紋位置的斷口微觀形貌,可見斷口表面氧化現象明顯,斷面已經被氧化物嚴重覆蓋,但依然可辨別出沿晶斷裂對應的晶界特征以及解理斷裂對應的河流花樣特征。沿晶斷口內可見淺韌窩形貌,晶界表面可見條狀析出相,這符合硫化物特征。沿晶斷口區域發現大量的孔洞,孔洞內壁光滑,推測孔洞缺陷是由析出相熔化導致的。

(a) 沿晶斷面形貌

(b) 解理斷面形貌

(c) 條狀析出相形貌

(d) 斷面熔融形貌
圖5 10Cr9MoVNbN彎管裂紋斷口微觀形貌

3 分析討論

從彎管的金相分析結果來看,彎管的裂紋位置晶粒粗大,明顯比正常區域的晶粒粗。根據組織長大的規律推測,裂紋位置的加熱溫度高于工藝要求,導致晶粒之間發生吞并,這造成了晶粒的異常長大,形成了粗大的原始奧氏體晶粒。

繼續對裂紋區域進行微觀分析,發現此彎管試件的高溫加熱過程不僅導致晶粒變大,還導致彎管內部析出了低熔點的第二相。低熔點相在高溫下發生熔化,導致晶界位置形成孔洞缺陷。孔洞缺陷在彎制過程中發生了連接和擴展,形成了裂紋。

在鋼材的實際熱加工過程中,如果溫度控制不當,會導致過熱或者過燒的現象。當鋼材處于過熱溫度時會發生晶粒長大的現象,并且鋼中的含硫相會在基體中逐漸溶解,導致奧氏體中的含硫量達到過飽和的程度,在隨后的冷卻過程中奧氏體晶界位置處會析出硫化物。雖然過熱會影響材料的性能,但重新調質可以消除缺陷,使材料恢復良好的機械性能[6]。

但是如果材料的熱處理溫度高于過熱溫度,處于固-液線某一溫度時,所造成的損傷便無法挽回。此時材料會在奧氏體晶界形成富硫液相,一方面導致晶界發生熔化,另一方面會導致磷元素從固相中析出,聚集在晶界位置,形成薄膜狀FeP脆性相以及各種形狀的硫化物,造成晶界強度降低,材料的脆性增加。

此外,從裂紋區域附近材料的組織分析結果來看,其余區域組織均為正常的馬氏體回火組織,晶粒細小,組織均勻,未發生晶粒長大等異常現象。以上結果表明所選擇的彎制工藝參數與10Cr9MoVNbN無縫鋼管適配性良好,裂紋的萌生與理論工藝參數的選擇無關。

4 結 論

本文針對10Cr9MoVNbN無縫鋼管裂紋萌生的原因進行了分析,利用金相顯微鏡和掃描電鏡將裂紋區域和正常區域的金相組織進行了比對,并對裂紋區的斷口形貌進行了觀察,得到如下結論:

1)10Cr9MoVNbN無縫鋼管的熱彎過程對溫度較為敏感,實際操作中的超溫導致的晶粒粗化和晶界過燒是鋼管開裂的主要原因;

2)彎制工藝中理論溫度的參數選擇合理,與10Cr9MoVNbN無縫鋼管存在很好的適配性,彎制工藝過程的參數選擇并無不當。