تحليل أسباب الشقوق الحلقية في الأنابيب الفولاذية الملحومة SAE 4140

تمت دراسة سبب الشق الحلقي في نهاية الأنبوب الفولاذي الملحوم SAE 4140 من خلال فحص التركيب الكيميائي واختبار الصلابة والملاحظة المعدنية والمجهر الإلكتروني الماسح وتحليل طيف الطاقة. أظهرت النتائج أن الشق الحلقي في الأنبوب الفولاذي الملحوم SAE 4140 هو شق إخماد، يحدث عمومًا في نهاية الأنبوب. سبب الشق الإخماد هو معدلات التبريد المختلفة بين الجدران الداخلية والخارجية، ومعدل تبريد الجدار الخارجي أعلى بكثير من معدل الجدار الداخلي، مما يؤدي إلى فشل التشقق الناجم عن تركيز الإجهاد بالقرب من موضع الجدار الداخلي. يمكن القضاء على الشق الحلقي عن طريق زيادة معدل تبريد الجدار الداخلي للأنبوب الفولاذي أثناء الإخماد، وتحسين اتساق معدل التبريد بين الجدار الداخلي والخارجي، والتحكم في درجة الحرارة بعد الإخماد لتكون في حدود 150 ~ 200 درجة مئوية لتقليل إجهاد الإخماد عن طريق المعالجة الذاتية.

SAE 4140 هو فولاذ هيكلي منخفض السبائك CrMo، وهو درجة معيارية أمريكية ASTM A519، في المعيار الوطني 42CrMo بناءً على زيادة محتوى Mn؛ وبالتالي، تم تحسين قابلية التصلب SAE 4140 بشكل أكبر. أنابيب الصلب الملحومة SAE 4140، بدلاً من المسبوكات الصلبة، يمكن لإنتاج قضبان الدرفلة من أنواع مختلفة من الأعمدة المجوفة والأسطوانات والأكمام والأجزاء الأخرى أن يحسن بشكل كبير من كفاءة الإنتاج ويوفر الفولاذ؛ تُستخدم أنابيب الصلب SAE 4140 على نطاق واسع في أدوات الحفر اللولبية للتعدين في حقول النفط والغاز ومعدات الحفر الأخرى. يمكن أن تلبي معالجة تقسية أنابيب الصلب الملحومة SAE 4140 متطلبات قوى الصلب المختلفة ومطابقة الصلابة من خلال تحسين عملية المعالجة الحرارية. ومع ذلك، غالبًا ما نجد أنها تؤثر على عيوب تسليم المنتج في عملية الإنتاج. تركز هذه الورقة بشكل أساسي على أنابيب الصلب SAE 4140 في عملية التبريد في منتصف سمك جدار نهاية الأنبوب، وتنتج تحليلًا لعيب الشقوق على شكل حلقة، وتطرح تدابير التحسين.

1. مواد الاختبار والطرق

أنتجت شركة مواصفات لأنابيب فولاذية بدون لحامات بمقاس ∅ 139.7 × 31.75 مم SAE 4140، عملية الإنتاج لتسخين السبيكة → الثقب → الدرفلة → التحجيم → التلطيف (وقت نقع 850 درجة مئوية لمدة 70 دقيقة من التبريد + دوران الأنبوب خارج دش الماء للتبريد +735 درجة مئوية وقت نقع لمدة ساعتين من التلطيف) → اكتشاف العيوب والتفتيش. بعد معالجة التلطيف، كشف فحص اكتشاف العيوب عن وجود شق حلقي في منتصف سمك الجدار عند نهاية الأنبوب، كما هو موضح في الشكل 1؛ ظهر الشق الحلقي على بعد حوالي 21 ~ 24 مم من الخارج، ودار حول محيط الأنبوب، وكان متقطعًا جزئيًا، بينما لم يتم العثور على مثل هذا العيب في جسم الأنبوب.

أخذ دفعة من عينات إخماد الأنابيب الفولاذية لتحليل الإخماد ومراقبة تنظيم الإخماد، والتحليل الطيفي لتكوين الأنابيب الفولاذية، في نفس الوقت، في شقوق الأنابيب الفولاذية المقواة لأخذ عينات عالية الطاقة لمراقبة مورفولوجيا الشقوق، ومستوى حجم الحبوب، وفي المجهر الإلكتروني الماسح مع مطياف للشقوق في التركيب الداخلي لتحليل المنطقة الدقيقة.

2. نتائج الاختبار

2.1 التركيب الكيميائي

يوضح الجدول 1 نتائج تحليل الطيف للتركيب الكيميائي، كما أن تركيب العناصر يتوافق مع متطلبات المعيار ASTM A519.

الجدول 1 نتائج تحليل التركيب الكيميائي (الكسر الكتلي، %)

عنصر	ج	سي	من	ص	س	سجل تجاري	شهر	النحاس	ني
محتوى	0.39	0.20	0.82	0.01	0.005	0.94	0.18	0.05	0.02
متطلبات ASTM A519	0.38-0.43	0.15-0.35	0.75-1.00	≤ 0.04	≤ 0.04	0.8-1.1	0.15-0.25	≥ 0.35	≥ 0.25

2.2 اختبار صلابة الأنبوب

في العينات المطفأة لاختبار صلابة إخماد السماكة الكلية لجدار الأنبوب، يمكن رؤية نتائج صلابة السماكة الكلية لجدار الأنبوب، كما هو موضح في الشكل 2، في 21 ~ 24 مم من الخارج، بدأت صلابة الإخماد في الانخفاض بشكل ملحوظ، ومن الخارج، في 21 ~ 24 مم، يوجد تقسية عالية الحرارة للأنبوب في منطقة الشق الحلقي، المنطقة الموجودة أسفل وفوق سماكة جدار الأنبوب، وصل الاختلاف الشديد بين موضع سماكة جدار الأنبوب إلى 5 (HRC) أو نحو ذلك. يبلغ فرق الصلابة بين سماكة الجدار السفلي والعلوي لهذه المنطقة حوالي 5 (HRC). يظهر الشكل 3 التنظيم المعدني في الحالة المطفأة. من التنظيم المعدني في الشكل 3؛ يمكن ملاحظة أن التنظيم في المنطقة الخارجية للأنبوب عبارة عن كمية صغيرة من الفريت + مارتنسيت، في حين أن التنظيم بالقرب من السطح الداخلي غير مطفأ، مع كمية صغيرة من الفريت والبينيت، مما يؤدي إلى انخفاض صلابة التبريد من السطح الخارجي للأنبوب إلى السطح الداخلي للأنبوب على مسافة 21 مم. تشير الدرجة العالية من اتساق الشقوق الحلقية في جدار الأنبوب وموضع الاختلاف الشديد في صلابة التبريد إلى أنه من المحتمل أن تنتج شقوق حلقية في عملية التبريد. يشير الاتساق العالي بين موقع شقوق الحلقة وصلابة التبريد المنخفضة إلى أن شقوق الحلقة ربما تكون قد أنتجت أثناء عملية التبريد.

2.3 تظهر النتائج المعدنية للأنابيب الفولاذية في الشكل 4 والشكل 5 على التوالي.

تتكون مصفوفة الأنبوب الفولاذي من أوستينيت مخفف + كمية صغيرة من الفريت + كمية صغيرة من الباينيت، بحجم حبيبات 8، وهو متوسط التنظيم المخفف؛ تمتد الشقوق على طول الاتجاه الطولي، الذي ينتمي إلى التشقق البلوري، ويتمتع جانبا الشقوق بالخصائص النموذجية للالتحام؛ هناك ظاهرة إزالة الكربنة على كلا الجانبين، ويمكن ملاحظة طبقة أكسيد رمادية عالية الحرارة على سطح الشقوق، ولا يمكن رؤية أي شوائب غير معدنية في محيط الشق.

2.4 نتائج تحليل طيف الطاقة ومورفولوجيا كسر الشقوق

بعد فتح الكسر، يتم ملاحظة الشكل المجهري للكسر تحت المجهر الإلكتروني الماسح، كما هو موضح في الشكل 6، والذي يوضح أن الكسر تعرض لدرجات حرارة عالية وحدث أكسدة عالية الحرارة على السطح. يقع الكسر بشكل أساسي على طول كسر البلورة، مع حجم حبيبات يتراوح من 20 إلى 30 ميكرومتر، ولا توجد حبيبات خشنة وعيوب تنظيمية غير طبيعية؛ يُظهر تحليل طيف الطاقة أن سطح الكسر يتكون بشكل أساسي من الحديد وأكاسيده، ولا توجد عناصر غريبة غير طبيعية. يُظهر التحليل الطيفي أن سطح الكسر يتكون في المقام الأول من الحديد وأكاسيده، ولا يوجد عنصر غريب غير طبيعي.

3 التحليل والمناقشة

3.1 تحليل عيوب الشقوق

من وجهة نظر مورفولوجيا الشق، فإن فتحة الشق مستقيمة؛ والذيل منحني وحاد؛ ويُظهر مسار امتداد الشق خصائص الشق على طول البلورة، وجانبي الشق لهما خصائص شبكية نموذجية، وهي الخصائص المعتادة لشقوق الإخماد. ومع ذلك، وجد الفحص المعدني أن هناك ظاهرة إزالة الكربنة على جانبي الشق، وهو ما لا يتماشى مع خصائص شقوق الإخماد التقليدية، مع الأخذ في الاعتبار حقيقة أن درجة حرارة تلطيف أنبوب الفولاذ هي 735 درجة مئوية، وAc1 هي 738 درجة مئوية في SAE 4140، وهو ما لا يتماشى مع الخصائص التقليدية لشقوق الإخماد. بالنظر إلى أن درجة حرارة التلطيف المستخدمة للأنبوب هي 735 درجة مئوية و Ac1 من SAE 4140 هي 738 درجة مئوية، وهما قريبتان جدًا من بعضهما البعض، فمن المفترض أن إزالة الكربون على جانبي الشق مرتبطة بالتلطيف عالي الحرارة أثناء التلطيف (735 درجة مئوية) وليست شقًا موجودًا بالفعل قبل المعالجة الحرارية للأنبوب.

3.2 أسباب التشقق

ترتبط أسباب شقوق الإخماد عمومًا بدرجة حرارة تسخين الإخماد ومعدل تبريد الإخماد والعيوب المعدنية وإجهادات الإخماد. من نتائج التحليل التركيبي، فإن التركيب الكيميائي للأنبوب يلبي متطلبات درجة فولاذ SAE 4140 في معيار ASTM A519، ولم يتم العثور على أي عناصر متجاوزة؛ لم يتم العثور على شوائب غير معدنية بالقرب من الشقوق، وأظهر تحليل طيف الطاقة عند كسر الشق أن منتجات الأكسدة الرمادية في الشقوق كانت Fe وأكاسيدها، ولم يتم رؤية أي عناصر غريبة غير طبيعية، لذلك يمكن استبعاد أن العيوب المعدنية تسببت في الشقوق الحلقية؛ كانت درجة حجم حبيبات الأنبوب من الدرجة 8، وكانت درجة حجم الحبيبات من الدرجة 7، وكان حجم الحبيبات من الدرجة 8، وكان حجم الحبيبات من الدرجة 8. مستوى حجم حبيبات الأنبوب هو 8؛ الحبوب مكررة وليست خشنة، مما يدل على أن شق الإخماد لا علاقة له بدرجة حرارة تسخين الإخماد.

يرتبط تكوين شقوق الإخماد ارتباطًا وثيقًا بإجهادات الإخماد، وهي مقسمة إلى إجهادات حرارية وتنظيمية. يرجع الإجهاد الحراري إلى عملية تبريد الأنبوب الفولاذي؛ حيث لا يكون معدل تبريد الطبقة السطحية وقلب الأنبوب الفولاذي ثابتًا، مما يؤدي إلى انكماش غير متساوٍ للمادة والإجهادات الداخلية؛ والنتيجة هي أن الطبقة السطحية للأنبوب الفولاذي تخضع لإجهادات ضغطية وقلب إجهادات شد؛ وإجهادات الأنسجة هي إخماد تنظيم الأنبوب الفولاذي للتحول المارتنسيتي، جنبًا إلى جنب مع توسع حجم عدم الاتساق في توليد الإجهادات الداخلية، وتنظيم الإجهادات الناتجة عن النتيجة هي الطبقة السطحية لإجهادات الشد، ومركز إجهادات الشد. يوجد هذان النوعان من الإجهادات في الأنبوب الفولاذي في نفس الجزء، ولكن دور الاتجاه هو العكس؛ والتأثير المشترك للنتيجة هو أن أحد العوامل المهيمنة للإجهادين، والدور المهيمن للإجهاد الحراري هو نتيجة لشد قلب القطعة، وضغط السطح؛ إن الدور المهيمن لإجهاد الأنسجة هو نتيجة لضغط الشد على سطح قطعة العمل.

SAE 4140 إخماد الأنابيب الفولاذية باستخدام إنتاج تبريد الدش الخارجي الدوار ، معدل تبريد السطح الخارجي أكبر بكثير من السطح الداخلي ، المعدن الخارجي للأنبوب الفولاذي مطفأ بالكامل ، في حين أن المعدن الداخلي لا يتم إخماده بالكامل لإنتاج جزء من منظمة الفريت والبينيت ، المعدن الداخلي بسبب المعدن الداخلي لا يمكن تحويله بالكامل إلى منظمة مارتنسيتية ، المعدن الداخلي للأنبوب الفولاذي يتعرض حتمًا لإجهاد الشد الناتج عن تمدد الجدار الخارجي للمارتنسيت ، وفي الوقت نفسه ، بسبب أنواع مختلفة من التنظيم ، يختلف حجمه المحدد بين المعدن الداخلي والخارجي في نفس الوقت ، بسبب أنواع التنظيم المختلفة ، يختلف الحجم الخاص للطبقات الداخلية والخارجية للمعدن ، ومعدل الانكماش ليس هو نفسه أثناء التبريد ، كما سيتم توليد إجهاد الشد عند واجهة النوعين من التنظيم ، ويهيمن توزيع الإجهاد على الضغوط الحرارية ، وإجهاد الشد الناتج عند واجهة النوعين من التنظيم داخل الأنبوب هو الأكبر، مما يؤدي إلى حدوث شقوق إخماد الحلقة في منطقة سمك جدار الأنبوب بالقرب من السطح الداخلي (21~24 مم بعيدًا عن السطح الخارجي)؛ بالإضافة إلى ذلك، فإن نهاية الأنبوب الفولاذي هي جزء حساس هندسيًا من الأنبوب بالكامل، وهو عرضة لتوليد الإجهاد. بالإضافة إلى ذلك، فإن نهاية الأنبوب هي جزء حساس هندسيًا من الأنبوب بالكامل، وهو عرضة لتركيز الإجهاد. يحدث هذا الشق الحلقي عادةً فقط في نهاية الأنبوب، ولم يتم العثور على مثل هذه الشقوق في جسم الأنبوب.

باختصار، فإن الشقوق على شكل حلقة في الأنابيب الفولاذية ذات الجدران السميكة SAE 4140 المطفأة ناجمة عن التبريد غير المتساوي للجدران الداخلية والخارجية؛ معدل تبريد الجدار الخارجي أعلى بكثير من معدل تبريد الجدار الداخلي؛ إنتاج الأنابيب الفولاذية ذات الجدران السميكة SAE 4140 لتغيير طريقة التبريد الحالية، لا يمكن استخدامها فقط خارج عملية التبريد، والحاجة إلى تعزيز تبريد الجدار الداخلي للأنبوب الفولاذي، لتحسين اتساق معدل تبريد الجدران الداخلية والخارجية للأنابيب الفولاذية ذات الجدران السميكة لتقليل تركيز الإجهاد، والقضاء على الشقوق الحلقية. شقوق الحلقة.

3.3 تدابير التحسين

لتجنب شقوق الإخماد، في تصميم عملية الإخماد، فإن جميع الظروف التي تساهم في تطوير إجهادات الشد للإخماد هي عوامل لتكوين الشقوق، بما في ذلك درجة حرارة التسخين، وعملية التبريد، ودرجة حرارة التفريغ. تشمل تدابير العملية المحسنة المقترحة: درجة حرارة إخماد 830-850 درجة مئوية؛ استخدام فوهة داخلية تتوافق مع خط الوسط للأنبوب، والتحكم في تدفق الرش الداخلي المناسب، وتحسين معدل تبريد الفتحة الداخلية لضمان توحيد معدل تبريد الجدران الداخلية والخارجية لأنبوب الفولاذ ذي الجدران السميكة؛ التحكم في درجة حرارة ما بعد الإخماد 150-200 درجة مئوية، واستخدام درجة حرارة الأنابيب الفولاذية المتبقية للتلطيف الذاتي، لتقليل إجهادات الإخماد في الأنابيب الفولاذية.

ينتج استخدام التكنولوجيا المحسنة ∅158.75 × 34.93 مم، ∅139.7 × 31.75 مم، ∅254 × 38.1 مم، ∅224 × 26 مم، وما إلى ذلك، وفقًا لعشرات مواصفات الأنابيب الفولاذية. بعد فحص العيوب بالموجات فوق الصوتية، تكون المنتجات مؤهلة، ولا تحتوي على شقوق إخماد الحلقة.

4. الخاتمة

(1) وفقًا للخصائص العيانية والمجهرية لشقوق الأنابيب، فإن الشقوق الحلقية في نهايات الأنابيب الفولاذية SAE 4140 تنتمي إلى فشل التشقق الناجم عن إجهاد الإخماد، والذي يحدث عادةً في نهايات الأنابيب.

(2) تحدث الشقوق على شكل حلقات في الأنابيب الفولاذية ذات الجدران السميكة SAE 4140 المطفأة بسبب التبريد غير المتساوي للجدران الداخلية والخارجية. معدل تبريد الجدار الخارجي أعلى بكثير من معدل تبريد الجدار الداخلي. لتحسين اتساق معدل تبريد الجدران الداخلية والخارجية للأنابيب الفولاذية ذات الجدران السميكة، فإن إنتاج الأنابيب الفولاذية ذات الجدران السميكة SAE 4140 يحتاج إلى تعزيز تبريد الجدار الداخلي.