針對(duì)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(xiàng)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(shí)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(huì)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(shí)，發(fā)現(xiàn)管件號(hào)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(duì)象，分別采用NCSNT100單軸拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行宏觀力學(xué)性能測(cè)試，用ZEISS40MAT金相顯微鏡觀察裂紋截面金相組織，利用HITACHIS4300冷場(chǎng)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(cè)量的裂紋距焊接熱影響區(qū)2mm左右，長(zhǎng)度約7mm。其他部位未見異常。
2試驗(yàn)結(jié)果
2.1化學(xué)分析結(jié)果
對(duì)管件進(jìn)行隨機(jī)取樣，按照國(guó)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(cè)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(yàn)結(jié)果如圖2所示，通過單軸拉伸試驗(yàn)曲線可以看出，管材的室溫抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到600MPa，屈服強(qiáng)度為230MPa，斷后伸長(zhǎng)率在50%以上。經(jīng)350℃高溫拉伸后，抗拉強(qiáng)度仍然可以達(dá)到400MPa，屈服強(qiáng)度也高于180MPa，同時(shí)具有35%的斷后伸長(zhǎng)率，表明強(qiáng)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(qiáng)度高于500MPa，斷后伸長(zhǎng)率在40%以上；350℃高溫拉伸抗拉強(qiáng)度高于350MPa，斷后伸長(zhǎng)率在25%以上）。
2.2.2擴(kuò)口與壓扁試驗(yàn)
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(yàn)采用頂芯角β＝60°的圓錐頂芯，擴(kuò)口率Xd＝30%，試驗(yàn)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(yàn)規(guī)定進(jìn)行的兩階段試驗(yàn)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(yàn)。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(zhǎng)度約1.1mm，尖端距管材表面約200μm。同時(shí)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(duì)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(zhǎng)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(yàn)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(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)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(cè)分析，結(jié)果表明，其成分組成均為國(guó)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(shí)在裂紋附近多點(diǎn)檢測(cè)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(shí)，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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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?yàn)橛捎诠懿谋旧砭哂辛己玫乃苄裕⒂^形貌為典型拉長(zhǎng)韌窩組織，如圖8（c）所示。試驗(yàn)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(shí)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(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)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(rùn)滑情況及鍛造的實(shí)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(shì)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(xiàng)性能指標(biāo)均符合國(guó)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(shí)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(shí)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(shí)掩蓋缺陷的問題。