10Cr9MoVNbN耐熱鋼是美國(guó)于20世紀(jì)70年代開發(fā)的馬氏體型耐熱鋼，該材料因良好的淬透性、熱強(qiáng)穩(wěn)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(yōu)勢(shì)[2-3],目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)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(zhì)屬于9Cr-1MoV系列的馬氏體熱強(qiáng)鋼,研究者多年來(lái)主要針對(duì)該材料在長(zhǎng)時(shí)高溫應(yīng)用下的性能變化以及壽命評(píng)估進(jìn)行研究。但原材料熱彎過(guò)程中的缺陷預(yù)防并未引起廣泛重視,其原因分析工作少有報(bào)道。某加工廠的10Cr9MoVNbN無(wú)縫鋼管在彎制過(guò)程中出現(xiàn)了裂紋,本文將對(duì)此進(jìn)行研究,分析裂紋萌生的原因,并對(duì)彎制工藝參數(shù)的合理性進(jìn)行分析,旨在深入研究工藝參數(shù)對(duì)10Cr9MoVNbN彎制的影響,達(dá)到預(yù)防缺陷的目的。1 試驗(yàn)材料及方法1.1 加工工藝及試驗(yàn)材料加工廠的彎制方式為熱彎,采用中頻感應(yīng)加熱的方式對(duì)鋼管進(jìn)行加熱,加熱溫度為960～1 020 ℃,按照0.4 mm/s的速度推進(jìn)鋼管。試驗(yàn)材料取自出現(xiàn)裂紋的10Cr9MoVNbN無(wú)縫鋼管,其化學(xué)成分見(jiàn)表1,彎管宏觀圖片見(jiàn)圖1。表1 10Cr9MoVNbN材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)點(diǎn)擊輸入圖片描述（最多30字）點(diǎn)擊輸入圖片描述（最多30字）圖1 10Cr9MoVNbN彎管宏觀形貌1.2 試驗(yàn)設(shè)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(xué)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(jìn)行觀察。2 試驗(yàn)結(jié)果及討論2.1金相分析裂紋位置的金相組織形貌見(jiàn)圖2,由圖2可知:該區(qū)域?yàn)榫Я４执蟮幕鼗瘃R氏體組織,晶粒度已達(dá)到00級(jí);試樣內(nèi)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(kuò)展的細(xì)小裂紋;裂紋兩側(cè)未發(fā)現(xiàn)大量的δ-鐵素體,裂紋附近的部分區(qū)域晶界發(fā)生粗化現(xiàn)象,放大后顯示該區(qū)域晶界存在網(wǎng)狀析出相。點(diǎn)擊輸入圖片描述（最多30字）(a) 晶界析出相低倍組織形貌點(diǎn)擊輸入圖片描述（最多30字）(b) 晶界析出相高倍組織形貌點(diǎn)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(qū)域金相組織形貌圖3所示為遠(yuǎn)離裂紋位置的金相組織,該區(qū)域?yàn)檎５幕鼗瘃R氏體組織,晶粒明顯比裂紋區(qū)域細(xì)小,晶粒度為04級(jí),未發(fā)現(xiàn)裂紋以及晶界網(wǎng)狀析出相等缺陷。點(diǎn)擊輸入圖片描述（最多30字）圖3 10Cr9MoVNbN彎管正常區(qū)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(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)彎管裂紋附近區(qū)域的金相截面內(nèi)有較多孔洞缺陷,孔洞沿晶界分布,個(gè)別區(qū)域孔洞發(fā)生連接,形成沿晶裂紋。點(diǎn)擊輸入圖片描述（最多30字）(a) 沿晶裂紋微觀形貌點(diǎn)擊輸入圖片描述（最多30字）(b) 沿晶孔洞微觀形貌點(diǎn)擊輸入圖片描述（最多30字）(c)孔洞擴(kuò)展微觀形貌點(diǎn)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(qū)域微觀形貌圖5為裂紋位置的斷口微觀形貌,可見(jiàn)斷口表面氧化現(xiàn)象明顯,斷面已經(jīng)被氧化物嚴(yán)重覆蓋,但依然可辨別出沿晶斷裂對(duì)應(yīng)的晶界特征以及解理斷裂對(duì)應(yīng)的河流花樣特征。沿晶斷口內(nèi)可見(jiàn)淺韌窩形貌,晶界表面可見(jiàn)條狀析出相,這符合硫化物特征。沿晶斷口區(qū)域發(fā)現(xiàn)大量的孔洞,孔洞內(nèi)壁光滑,推測(cè)孔洞缺陷是由析出相熔化導(dǎo)致的。點(diǎn)擊輸入圖片描述（最多30字）(a) 沿晶斷面形貌點(diǎn)擊輸入圖片描述（最多30字）(b) 解理斷面形貌點(diǎn)擊輸入圖片描述（最多30字）(c) 條狀析出相形貌點(diǎn)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(jié)果來(lái)看,彎管的裂紋位置晶粒粗大,明顯比正常區(qū)域的晶粒粗。根據(jù)組織長(zhǎng)大的規(guī)律推測(cè),裂紋位置的加熱溫度高于工藝要求,導(dǎo)致晶粒之間發(fā)生吞并,這造成了晶粒的異常長(zhǎng)大,形成了粗大的原始奧氏體晶粒。繼續(xù)對(duì)裂紋區(qū)域進(jìn)行微觀分析,發(fā)現(xiàn)此彎管試件的高溫加熱過(guò)程不僅導(dǎo)致晶粒變大,還導(dǎo)致彎管內(nèi)部析出了低熔點(diǎn)的第二相。低熔點(diǎn)相在高溫下發(fā)生熔化,導(dǎo)致晶界位置形成孔洞缺陷?？锥慈毕菰趶澲七^(guò)程中發(fā)生了連接和擴(kuò)展,形成了裂紋。在鋼材的實(shí)際熱加工過(guò)程中,如果溫度控制不當(dāng),會(huì)導(dǎo)致過(guò)熱或者過(guò)燒的現(xiàn)象。當(dāng)鋼材處于過(guò)熱溫度時(shí)會(huì)發(fā)生晶粒長(zhǎng)大的現(xiàn)象,并且鋼中的含硫相會(huì)在基體中逐漸溶解,導(dǎo)致奧氏體中的含硫量達(dá)到過(guò)飽和的程度,在隨后的冷卻過(guò)程中奧氏體晶界位置處會(huì)析出硫化物。雖然過(guò)熱會(huì)影響材料的性能,但重新調(diào)質(zhì)可以消除缺陷,使材料恢復(fù)良好的機(jī)械性能[6]。但是如果材料的熱處理溫度高于過(guò)熱溫度,處于固-液線某一溫度時(shí),所造成的損傷便無(wú)法挽回。此時(shí)材料會(huì)在奧氏體晶界形成富硫液相,一方面導(dǎo)致晶界發(fā)生熔化,另一方面會(huì)導(dǎo)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(qiáng)度降低,材料的脆性增加。此外,從裂紋區(qū)域附近材料的組織分析結(jié)果來(lái)看,其余區(qū)域組織均為正常的馬氏體回火組織,晶粒細(xì)小,組織均勻,未發(fā)生晶粒長(zhǎng)大等異?，F(xiàn)象。以上結(jié)果表明所選擇的彎制工藝參數(shù)與10Cr9MoVNbN無(wú)縫鋼管適配性良好,裂紋的萌生與理論工藝參數(shù)的選擇無(wú)關(guān)。4 結(jié) 論本文針對(duì)10Cr9MoVNbN無(wú)縫鋼管裂紋萌生的原因進(jìn)行了分析,利用金相顯微鏡和掃描電鏡將裂紋區(qū)域和正常區(qū)域的金相組織進(jìn)行了比對(duì),并對(duì)裂紋區(qū)的斷口形貌進(jìn)行了觀察,得到如下結(jié)論:1)10Cr9MoVNbN無(wú)縫鋼管的熱彎過(guò)程對(duì)溫度較為敏感,實(shí)際操作中的超溫導(dǎo)致的晶粒粗化和晶界過(guò)燒是鋼管開裂的主要原因;2)彎制工藝中理論溫度的參數(shù)選擇合理,與10Cr9MoVNbN無(wú)縫鋼管存在很好的適配性,彎制工藝過(guò)程的參數(shù)選擇并無(wú)不當(dāng)。管熱彎裂紋分析

10Cr9MoVNbN耐熱鋼是美國(guó)于20世紀(jì)70年代開發(fā)的馬氏體型耐熱鋼,該材料因良好的淬透性、熱強(qiáng)穩(wěn)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(yōu)勢(shì)[2-3],目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)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(zhì)屬于9Cr-1MoV系列的馬氏體熱強(qiáng)鋼,研究者多年來(lái)主要針對(duì)該材料在長(zhǎng)時(shí)高溫應(yīng)用下的性能變化以及壽命評(píng)估進(jìn)行研究。但原材料熱彎過(guò)程中的缺陷預(yù)防并未引起廣泛重視,其原因分析工作少有報(bào)道。

某加工廠的10Cr9MoVNbN無(wú)縫鋼管在彎制過(guò)程中出現(xiàn)了裂紋,本文將對(duì)此進(jìn)行研究,分析裂紋萌生的原因,并對(duì)彎制工藝參數(shù)的合理性進(jìn)行分析,旨在深入研究工藝參數(shù)對(duì)10Cr9MoVNbN彎制的影響,達(dá)到預(yù)防缺陷的目的。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 加工工藝及試驗(yàn)材料

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

試驗(yàn)材料取自出現(xiàn)裂紋的10Cr9MoVNbN無(wú)縫鋼管,其化學(xué)成分見(jiàn)表1,彎管宏觀圖片見(jiàn)圖1。

表1 10Cr9MoVNbN材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)

圖1 10Cr9MoVNbN彎管宏觀形貌

1.2 試驗(yàn)設(shè)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(xué)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(jìn)行觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1金相分析

裂紋位置的金相組織形貌見(jiàn)圖2,由圖2可知:該區(qū)域?yàn)榫Я４执蟮幕鼗瘃R氏體組織,晶粒度已達(dá)到00級(jí);試樣內(nèi)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(kuò)展的細(xì)小裂紋;裂紋兩側(cè)未發(fā)現(xiàn)大量的δ-鐵素體,裂紋附近的部分區(qū)域晶界發(fā)生粗化現(xiàn)象,放大后顯示該區(qū)域晶界存在網(wǎng)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(qū)域金相組織形貌

圖3所示為遠(yuǎn)離裂紋位置的金相組織,該區(qū)域?yàn)檎５幕鼗瘃R氏體組織,晶粒明顯比裂紋區(qū)域細(xì)小,晶粒度為04級(jí),未發(fā)現(xiàn)裂紋以及晶界網(wǎng)狀析出相等缺陷。

圖3 10Cr9MoVNbN彎管正常區(qū)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(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)彎管裂紋附近區(qū)域的金相截面內(nèi)有較多孔洞缺陷,孔洞沿晶界分布,個(gè)別區(qū)域孔洞發(fā)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(kuò)展微觀形貌

(d) 塑性變形流線形貌
圖4 10Cr9MoVNbN彎管裂紋區(qū)域微觀形貌

圖5為裂紋位置的斷口微觀形貌,可見(jiàn)斷口表面氧化現(xiàn)象明顯,斷面已經(jīng)被氧化物嚴(yán)重覆蓋,但依然可辨別出沿晶斷裂對(duì)應(yīng)的晶界特征以及解理斷裂對(duì)應(yīng)的河流花樣特征。沿晶斷口內(nèi)可見(jiàn)淺韌窩形貌,晶界表面可見(jiàn)條狀析出相,這符合硫化物特征。沿晶斷口區(qū)域發(fā)現(xiàn)大量的孔洞,孔洞內(nèi)壁光滑,推測(cè)孔洞缺陷是由析出相熔化導(dǎo)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(jié)果來(lái)看,彎管的裂紋位置晶粒粗大,明顯比正常區(qū)域的晶粒粗。根據(jù)組織長(zhǎng)大的規(guī)律推測(cè),裂紋位置的加熱溫度高于工藝要求,導(dǎo)致晶粒之間發(fā)生吞并,這造成了晶粒的異常長(zhǎng)大,形成了粗大的原始奧氏體晶粒。

繼續(xù)對(duì)裂紋區(qū)域進(jìn)行微觀分析,發(fā)現(xiàn)此彎管試件的高溫加熱過(guò)程不僅導(dǎo)致晶粒變大,還導(dǎo)致彎管內(nèi)部析出了低熔點(diǎn)的第二相。低熔點(diǎn)相在高溫下發(fā)生熔化,導(dǎo)致晶界位置形成孔洞缺陷?？锥慈毕菰趶澲七^(guò)程中發(fā)生了連接和擴(kuò)展,形成了裂紋。

在鋼材的實(shí)際熱加工過(guò)程中,如果溫度控制不當(dāng),會(huì)導(dǎo)致過(guò)熱或者過(guò)燒的現(xiàn)象。當(dāng)鋼材處于過(guò)熱溫度時(shí)會(huì)發(fā)生晶粒長(zhǎng)大的現(xiàn)象,并且鋼中的含硫相會(huì)在基體中逐漸溶解,導(dǎo)致奧氏體中的含硫量達(dá)到過(guò)飽和的程度,在隨后的冷卻過(guò)程中奧氏體晶界位置處會(huì)析出硫化物。雖然過(guò)熱會(huì)影響材料的性能,但重新調(diào)質(zhì)可以消除缺陷,使材料恢復(fù)良好的機(jī)械性能[6]。

但是如果材料的熱處理溫度高于過(guò)熱溫度,處于固-液線某一溫度時(shí),所造成的損傷便無(wú)法挽回。此時(shí)材料會(huì)在奧氏體晶界形成富硫液相,一方面導(dǎo)致晶界發(fā)生熔化,另一方面會(huì)導(dǎo)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(qiáng)度降低,材料的脆性增加。

此外,從裂紋區(qū)域附近材料的組織分析結(jié)果來(lái)看,其余區(qū)域組織均為正常的馬氏體回火組織,晶粒細(xì)小,組織均勻,未發(fā)生晶粒長(zhǎng)大等異?，F(xiàn)象。以上結(jié)果表明所選擇的彎制工藝參數(shù)與10Cr9MoVNbN無(wú)縫鋼管適配性良好,裂紋的萌生與理論工藝參數(shù)的選擇無(wú)關(guān)。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)10Cr9MoVNbN無(wú)縫鋼管裂紋萌生的原因進(jìn)行了分析,利用金相顯微鏡和掃描電鏡將裂紋區(qū)域和正常區(qū)域的金相組織進(jìn)行了比對(duì),并對(duì)裂紋區(qū)的斷口形貌進(jìn)行了觀察,得到如下結(jié)論:

1)10Cr9MoVNbN無(wú)縫鋼管的熱彎過(guò)程對(duì)溫度較為敏感,實(shí)際操作中的超溫導(dǎo)致的晶粒粗化和晶界過(guò)燒是鋼管開裂的主要原因;

2)彎制工藝中理論溫度的參數(shù)選擇合理,與10Cr9MoVNbN無(wú)縫鋼管存在很好的適配性,彎制工藝過(guò)程的參數(shù)選擇并無(wú)不當(dāng)。