06Cr18Ni11Ti（SUS321）不锈钢扩管开裂原因分析

06Cr18Ni11Ti (SUS321)不锈钢扩管开裂原因分析

施黎明吕海当马正伟胡梅青姜美雪

(青山钢铁瑞浦科技集团有限公司特钢研究院，浙江323900)

摘要：利用宏观分析、光谱成分分析、金相分析对内壁出现裂纹的06Cr18Ni11Ti不锈钢荒管进行了全面的分析。分析结果表明:扩管过程的开裂属于普遍开裂，材料的化学成分符合标准要求，裂纹两侧有少量TiN夹杂物，裂纹尾端呈沿晶趋势，奥氏体晶界有少许碳化物存在。因此推断退火效果不好导致晶界弱化，加之TiN夹杂物的应力集中，扩管张力的作用超过了材料的断裂强度时就发生了开裂。

关键词：06Cr18Ni11Ti；不锈钢管；开裂

中图分类号：TG115.21文献标志码：B

收稿日期：2015—04—28

Crack Cause Analysis on 06Cr18Ni11Ti (SUS321)

Stainless Steel Pipe Expanding

Shi Liming, Lv Haidang, Ma Zhengwei, Hu Meiqing, Jiang Meixue

Abstract：06Cr18Ni11Ti stainless steel pierced billet with inner cracks has been analyzed completely by means of macro analysis, spectrum composition analysis and metallurgical analysis. The result showed that cracks from pipe expanding process belonged to general crack, chemical composition of material conformed to standard requirement, TiN inclusion existed on both sides of crack, crack end tended to along grain change, and a few carbides existed in austenite grain boundary. Therefore it concluded that unsound annealing effect resulted in grain boundary weakening, stress concentration of TiN inclusion and pipe expanding tension action above material fracture strength have been taken place, all of the issues resulted in pipe expanding crack.

Key words：06Cr18Ni11Ti; stainless steel pipe; crack

在各类不锈钢中，钛稳定化不锈钢具有优越的抗腐蚀性能。钛稳定化奥氏体不锈钢(AISI321)主要用于高温抗氢环境，如化工、航天等领域。06Cr18Ni11Ti不锈钢无缝钢管(GB 3087—1999)是用于制造各种结构低中压锅炉过热蒸汽管、沸水管及机车锅炉用过热蒸汽管、大烟管、小烟管和拱砖管专用的优质碳素结构钢热轧和冷拔无缝钢管。这些锅炉管道经常处于高温和高压下工作，管子在高温烟气和水蒸气的作用下还会发生氧化和腐蚀，因此要求钢管有高的持久强度、高的抗氧化性能，并具有良好的组织稳定性。

06Cr18Ni11Ti不锈钢棒材穿管后,进行一次扩管,经过退火后,再次扩管,酸洗后发现有开裂现象，现对开裂原因进行分析。

1试验方法

观察荒管开裂的形貌，从头部往管身延伸一定长度截开荒管观察内壁开裂情况。在荒管上取试样，磨平后使用SPECTROLAB M10型光电直读光谱仪检测其化学成分。在裂纹处截取金相试样，进行金相检测，主要进行夹杂物的评级、裂纹微观形貌观察以及组织变形情况的分析。试样的制备、试样研磨、试样的浸蚀、显微组织检验、显微照相参照GB/T 13298—1991《金属显微组织检验方法》执行。

2试验结果

2.1宏观分析

∅200 mm×18 mm荒管(此时检查并未发现有开裂)扩孔至∅300 mm×14 mm后，出现了如图1所示的内壁开裂。从图1(a)看出裂纹分布在钢管的内壁圆弧面上，裂纹密集程度、开口方向等均没有明显的规律，几乎在整个钢管内壁圆弧面上均匀通条存在，属于普遍开裂。在图1(a)开裂处随机取样，放在体视显微镜下放大20倍，见图1(b)，可以看到整个钢管内表面特别是裂纹两侧处有明显的晶间腐蚀。

2.2光谱成分分析

(a)钢管内壁通条开裂形貌 (b)裂纹表面宏观图片(20×)

CSiMnPSCrNiTi140822D080.0370.331.180.0310.00117.369.070.52国标≤0.080≤1.00≤2.00≤0.035≤0.03017.00～19.009.00～12.000.5～0.8

(a)100× (b)500×

(a)100× (b)500×

图4　裂纹两侧组织形貌(100×)

表1是所取样品的化学成分检测结果，所有元素都符合国标的要求。

2.3金相分析

图2(a)所示钢管的裂纹从内表面形成，逐渐向里延伸并变细，裂纹两侧有淡黄色的TiN颗粒状夹杂物存在，级别为B(TiN)，2.0级左右。图2(b)所示裂纹尾端细裂纹有沿晶趋势。

图3(a)所示裂纹是在内壁处的微细裂纹，显然是酸洗形成的酸蚀裂纹。经过不锈钢侵蚀剂腐蚀后形貌见图3(b)，裂纹是沿着奥氏体晶界延伸的。

从图4看出裂纹两侧的奥氏体晶粒度在6.0级左右，明显的要小于远离裂纹的晶粒。图5是正常部位的组织形貌，组织为奥氏体，晶粒度为5.0级，晶粒较均匀，并存在少许晶间碳化物。

3讨论与分析

通过宏观检验，钢管内壁通条开裂，且裂纹分布均匀，属于普遍开裂，可以初步排除局部的冶金缺陷所致。裂纹表面存在晶间腐蚀现象，因此确定钢管表面组织的晶界被弱化，在酸洗时形成了晶间腐蚀。

金相分析发现大裂纹两侧的晶粒小于远离裂纹处的晶粒，此处有少量TiN夹杂物存在，可以推测是由于TiN的钉扎作用抑制了晶粒的长大，前提是大裂纹处有更多的TiN夹杂物，在取样、制样过程中脱落，也有可能是退火过程中由于温度或是时间的不均匀导致此处晶粒的恢复与正常部位不一样。大裂纹尾端及内表面的细裂纹有沿晶趋势可以证明晶界是弱化了的，同时奥氏体组织中有晶间碳化物存在，充分证明了是退火效果不好导致晶界弱化，加之TiN夹杂物的应力集中，在扩管张力的作用超过了其断裂强度时就发生了开裂。

图5　正常部位腐蚀形貌(100×)

4结论

钢管内壁开裂的主要原因是退火效果不好导致晶界弱化，加之TiN夹杂物的应力集中，在扩管张力的作用超过了其断裂强度时就发生了开裂。

参考文献

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编辑杜青泉