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小口径薄壁不锈钢管扩口产生裂纹的原因

发布时间:2021-12-15 点击次数:1036

小口径薄壁不锈钢管主要用于航空、医疗器械、食品及试验设备等方面可能需要进行扩口,但是当不锈钢管壁较薄时,一旦生产工艺中某道次的中间退火或变形不当,便容易在扩口后出现裂纹甚至开裂。本文就来说说小口径薄壁不锈钢管扩口产生裂纹的原因。

小口径薄壁不锈钢管扩口产生裂纹的原因.jpg

4根规格为φ6.0×0.6的光亮退火304不锈钢管为例。其中1#3#扩口合格,2#4#扩口不合格,出现了裂纹;取合格的1#和不合格的4#进行观察。对成品φ6.0×0.6不锈钢管的生产过程进行跟踪,并对各环节的性能变化进行检测。其加工工序为:扩口前:φ15.8x0.7,退火处理;1道次拉拔,φ12.5x0.75,退火处理;2道次拉拔,φ10.85×0.75,退火处理;3道次拉拔,φ8.9×0.79,退火处理;4道次拉拔,φ6.95×0.85,退火处理;5道次拉拔,φ6.0×0.6。退火温度采用大于980℃的软化退火。


一、扩口合格与不合格管的分析比较

从表1可以看出,不合格的4#管的硬度比合格的1#管的高些,平均硬度达到234.7HV1。对其微观组织进行观测,结果如图1。可以发现,不论是横向还是纵向,4#管的晶粒都比1#管的小,尤其是横向组织更为明显。而且在4#组织中存在较多的退火孪晶。

小口径薄壁不锈钢管扩口产生裂纹的原因.png 

小口径薄壁不锈钢管扩口产生裂纹的原因.png 

对于具有面心立方结构的金属来说,在通常的塑性变形过程中,变形主要以滑移为主,而滑移是通过位错滑移实现的,在滑移的过程中产生了位错的增殖,使晶体内部的位错密度急剧增加,正是这些高密度的位错,使晶体滑移受阻,材料产生加工硬化。在良好退火的晶体中,位错密度大约为106/cm2,而强烈冷作硬化的晶体中的位错密度可达1011~1012/cm2之多。


对不稳定型的奥氏体不锈钢,冷加工也会使其位错密度升高。有资料显示,在室温下,拉伸、弯曲和轧制过程均产生形变诱发马氏体,且马氏体含量随冷加工变形量的增加而增大。304奥氏体不锈钢在形变过程中不同程度地出现层错、形变孪晶、应变诱发马氏体,并在晶界与退火孪晶附近形成位错塞积和位错胞状组织。这些形变组织结构均可导致加工硬化。


退火的主要目的是消除材料的内应力并降低硬度,提高小口径薄壁不锈钢管的可成形性能。而退火后硬度值过高说明退火软化效果差,残余应力没有充分释放,因为残余应力引起的晶格畸变也会使硬度值改变。残余应力的存在导致在扩口时容易在应力集中的地方产生裂纹。


以上不利因素的存在,导致了扩口裂纹的产生。因此,在热处理时只有加热温度和保温时间都满足,才能使晶粒足够长大,残余应力充分释放,才能使其韧性得以提高。如果加工过程中每道次的中间热处理不能让残余应力充分释放,即加工硬化不能完全恢复的话,会累积下来影响到最后成品的硬度。因此,在加工过程中应尽量避免有硬度积累的环节产生。


二、加工过程中产生硬度积累环节分析

1. 硬度与拉拔道次的关系

由图2看出,随拉拔加工道次的增加其硬度值在逐渐增大,即随加工管径的逐渐变小,其热处理后的硬度逐渐升高,说明连续拉拔加工会导致其硬度升高。虽然每一道次拉拔之后都有中间退火处理,但并不能使其恢复到原始的硬度状态,说明中间退火处理不能使残余应力完全消除,即加工硬化没有完全清除,而且随拉拔道次的增加,这种状况在逐渐积累。


由硬度与管径的散点图(图3)看出,随拉拔管径变小,其硬度呈近似线性增长。

小口径薄壁不锈钢管扩口产生裂纹的原因.png 


2. 硬度差与伸长系数的变化

从图4看出,伸长系数大时其硬度增加的多些,而伸长系数小时其硬度增加的较小。但是当φ10.85x0.75→φ12.5×0.75时,伸长系数为1.163,而其硬度增加了36HV1,硬度增长最快。这是由于在φ10.85×0.75时选用了3档低档电流退火,为使其温度升到980℃,必须延长加热时间,导致退火软化效果不良,引起硬度增加很快。说明此时选择3档低档电流退火是不适合的。


去掉上面这个例外的数据,进一步对硬度差与延伸系数的关系进行分析,可以发现,随伸长系数的增大,拉拔加工后硬度升高速度加快。

小口径薄壁不锈钢管扩口产生裂纹的原因.png 

小口径薄壁不锈钢管扩口产生裂纹的原因可知,退火软化效果不良造成硬度较高,容易产生扩口裂纹。成品管的直径越小,加工道次越多,其硬度越高,即扩口不合格的几率越大。要保证生产合格的不锈钢管,其拉拔道次不能过多,拉拔过程中单道次的伸长系数不能过大,中间热处理环节的电流档次要选择适当。


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