无缝钢管连轧机限动芯棒热疲劳性能探究

陶侃侃

（天津钢管制造有限公司，天津 300301）

1 现阶段芯棒热疲劳后性能变化探究

芯棒作为无缝钢管生产的主要变形工具之一，对使用条件有严格要求，热疲劳的产生极易导致芯棒表面龟裂，从而对性能造成影响。具体来讲就是在芯棒作业过程中，由于其要承受急冷急热的循环作用，从而导致芯棒表面存在一定的温度梯度，当其表层处于加热状态时会受到压应力，而当冷却后又会受到拉应力，反复中不仅会导致其复塑性变形问题的产生，最主要的是也会对其表面造成严重损害，进而导致裂纹的萌生和扩展，使芯棒的性能失效，故此，减缓芯棒热疲劳产生是极为必要的。

1.1 芯棒不同热疲劳次数后表面硬度的变化

为从根本上明确芯棒热疲劳循环后截面硬度变化情况，对其进行热疲劳作业，并详细记录不同循环次数的表面硬度变化，从而为后期各项作业的实施提供科学依据，通过图1分析可知，不同的热疲劳次数表层硬度变化呈现出随次数增加而递减的状态，通常来讲，在热循环次数400次内，芯棒表面硬度基本保持不变，而当循环次数在500～2500次，芯棒的硬度值迅速下降，及其表面呈现出一种循环软化状态，而当循环次数超过2500次，芯棒的硬度几乎保持不变。

图1 不同周次循环后芯棒截面表层硬度变化情况

1.2 芯棒不同热疲劳次数后表面形貌的变化

根据调查可知，经过不同次数的热疲劳后，芯棒的表面形貌会发生显著变化。经过300次循环后，芯棒的表层会产生不同程度的起皱现象，而后再循环300～500次，芯棒表面的褶皱加深，起皱部位就会出现热疲劳裂纹，进而对芯棒的整体表层造成破坏，500次循环后，大部分裂纹已经发育成熟，裂纹萌生阶段基本结束。

1.3 芯棒不同热疲劳次数后碳化物形态和大小变化

在冷热循环过程中，模具钢也会发生循环软化现象。通过观察不同热疲劳次数后碳化物形态以及大小变化，从而对其变化机理进行详细探析。具体而言在不同的冷热循环过程中，碳化物发生了明显粗化，而不同形貌的碳化物颗粒，其变化过程也不尽相同。

2 细化处理对于无缝钢管连轧机限动芯棒热疲劳性能的影响

通过上述分析可知，在芯棒使用过程中，冷热交替循环变化是其不可避免所要承受的服务环境，而长此以往，其表面硬度、表面形貌以及碳化物形态和大小都会发生变化，且随着循环次数的不断增加，会极易导致热疲劳裂纹的产生。与此同时循环次数的增加在一定程度上也会对残留塑性造成一定影响，因此，要想从根本上提高材料的强度，在冷热交替过程中，可通过细化碳化物减缓疲劳裂纹的萌生。

2.1 显微组织

经球化处理后，不同质地的碳化物呈现出不同的分布状态。不同的处理策略取得的效果也不尽相同，经球化处理的碳化物大小不一，形态多样，分布极为不均，晶内碳化物大部分呈束状和团簇状分布，而经固溶处理的试样碳化物颗粒明显细化，数量增多，分布更加均匀弥散，晶内碳化物形态基本为球形，此外与球化处理不同的是，经固溶处理后，晶界已无明显链状碳化物析出。

2.2 力学性能

经组织细化处理后，芯棒的表面无论是其强度还是韧性都得到了显著提高，故此总体而言细化处理对于提高材料性能具有显著优势，此外通过上述几种方式的细化处理来看，固溶后油冷比空冷对性能的提高效果更加显著。

2.3 疲劳性能

经过对芯棒的球化处理以及细化处理可知，其在进过3000次热疲劳循环后，球化处理的芯棒其产生的疲劳裂纹宽而深，但是经过细化处理的芯棒其 疲劳裂纹通常细而浅，因此为从根本上有效地提高芯棒的整体性能，在对其进行处理过程中，通常应选用细化处理方式，以此来显著地提高其抗疲劳性能。

2.4 显微硬度

在当前芯棒经球化处理和细化处理后，其显微硬度梯度也不尽相同，通常而言，从显微硬度看，无论是常规的球化处理还是细化处理，在一定程度上两者的基体硬度处于同一水平，但是细看来讲，细化处理的芯棒其抗软化性能较强，故此在对芯棒进行软化处理时，选择细化处理方式是极为必要的。

2.5 分析讨论

从目前来看，经球化火处理的芯棒，通常来讲基体上分布着有粗大杆状碳化物和点球状碳化物，且与细化处理不同的是，球化处理的芯棒存在着明显的碳化物富集区，经正常淬火处理后，芯棒的基体组织会变大，碳化物的分布也呈现出不均匀状态，故此在实际应用过程中，由于这种组织材料的强度和韧性值相对较低，利于裂纹形成和扩展。经固溶处理后的芯棒，通常而言其碳化物明显细化，隐约可见链状碳化物沿原奥氏体晶界分布，总体来讲造成这种物质产生的主要原因，是由于在固溶化处理过程中，冷速相对较慢，为碳化物沿晶呈链状析出提供了有利条件，且相较于球化火处理，通过固溶处理后的芯棒其碳化物的分布较为均匀，在韧性方面其也具有显著优势，因此总体来讲经过固溶后油冷处理的芯棒，无论是从哪方面来讲，其性能优势都远远超于球化火处理的芯棒。除此之外，经大量科研数据分析可知，经过细化处理后的芯棒，其不仅抗回火软化能力明显提高，延缓了疲劳裂纹的形成，同时在提高芯棒断裂韧性以及抗热疲劳性能等方面也发挥了显著优势，且按照Hall-Petch公式，经过细化处理后，芯棒晶粒屈服强度提高的同时，其裂纹扩展临界应力也也有所改善。

3 结语

综上所述，在当前社会主义市场经济不断发展和经济管理体系不断完善的新社会主义市场经济常态下，钢材作为重要的施建材料，其各项性能指标一直以来都受到了社会各界的高度重视，尤其是作为无缝钢管生产的主要变形工具之一，芯棒的使用寿命更与企业的整体经济效益息息相关，故此在当前冷热疲劳过程中，如何有效地对其进行优化热处理研究是现阶段企业的核心发展方向，而经大量科研数据分析可知，从某方面而言，碳化物的形状、大小和分布状态对疲劳性能有较大影响，故此为从根本上避免各种软化问题的产生，在对其进行处理作业过程中通过采取细化处理的方式，在一定程度上能显著地提高芯棒材料的力学性能，和抗热疲劳性能。