Analýza příčin prstencových trhlin v kalené bezešvé ocelové trubce SAE 4140

Důvod prstencové trhliny na konci trubky bezešvé ocelové trubky SAE 4140 byl studován zkouškou chemického složení, zkouškou tvrdosti, metalografickým pozorováním, rastrovacím elektronovým mikroskopem a analýzou energetického spektra. Výsledky ukazují, že prasklina ve tvaru prstence u bezešvé ocelové trubky SAE 4140 je prasklina z kalení, která se obvykle vyskytuje na konci trubky. Důvodem trhliny při kalení jsou různé rychlosti ochlazování mezi vnitřní a vnější stěnou a rychlost ochlazování vnější stěny je mnohem vyšší než u vnitřní stěny, což má za následek selhání praskání způsobené koncentrací napětí v blízkosti vnitřní stěny. Prasklina ve tvaru prstence může být eliminována zvýšením rychlosti chlazení vnitřní stěny ocelové trubky během kalení, zlepšením rovnoměrnosti rychlosti chlazení mezi vnitřní a vnější stěnou a regulací teploty po kalení tak, aby byla v rozmezí 150 ~ 200 ℃ ke snížení kalícího stresu samovolným temperováním.

SAE 4140 je CrMo nízkolegovaná konstrukční ocel, je to americká norma ASTM A519, v národní normě 42CrMo na základě zvýšení obsahu Mn; proto byla dále zlepšena prokalitelnost SAE 4140. Bezešvá ocelová trubka SAE 4140, namísto plných výkovků, výroba válcovaných předvalků různých typů dutých hřídelí, válců, objímek a dalších dílů může výrazně zlepšit efektivitu výroby a ušetřit ocel; Ocelová trubka SAE 4140 je široce používána ve šroubových vrtacích nástrojích pro těžbu ropy a zemního plynu a dalších vrtných zařízeních. Popouštění bezešvých ocelových trubek SAE 4140 může splňovat požadavky na různé pevnosti oceli a přizpůsobení houževnatosti optimalizací procesu tepelného zpracování. Přesto se často zjistí, že ovlivňuje vady dodávky produktu ve výrobním procesu. Tento dokument se zaměřuje především na ocelovou trubku SAE 4140 v procesu kalení uprostřed tloušťky stěny konce trubky, vytváří analýzu defektů ve tvaru prstence a navrhuje opatření ke zlepšení.

1. Testovací materiály a metody

Společnost vyrobila specifikace pro ∅ 139,7 × 31,75 mm ocelové bezešvé ocelové trubky SAE 4140, výrobní proces pro ohřev sochorů → děrování → válcování → dimenzování → temperování (doba namáčení 850 ℃ 70 minut kalení + rotace trubky mimo chlazení vodní sprchou +735 ℃ doba namáčení 2 h temperování) → Detekce a kontrola vad. Po úpravě popouštěním odhalila kontrola defektoskopie, že uprostřed tloušťky stěny na konci trubky byla prstencová trhlina, jak je znázorněno na obr. 1; prstencová trhlina se objevila ve vzdálenosti asi 21~24 mm od vnějšku, kroužila po obvodu trubky a byla částečně nespojitá, zatímco v těle trubky nebyla nalezena žádná taková vada.

Odeberte šarži vzorků pro kalení ocelových trubek pro analýzu kalení a pozorování organizace kalení a spektrální analýzu složení ocelové trubky současně v trhlinách temperovaných ocelových trubek, abyste odebrali vysoce výkonné vzorky pro pozorování mikromorfologie trhlin , úrovni zrnitosti a v rastrovacím elektronovém mikroskopu se spektrometrem na trhliny ve vnitřním složení mikroplošné analýzy.

2. Výsledky testu

2.1 Chemické složení

Tabulka 1 ukazuje výsledky spektrální analýzy chemického složení a složení prvků je v souladu s požadavky normy ASTM A519.

Tabulka 1 Výsledky analýzy chemického složení (hmotnostní frakce, %)

Živel	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Cu	Ni
Obsah	0.39	0.20	0.82	0.01	0.005	0.94	0.18	0.05	0.02
Požadavek 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 Zkouška kalitelnosti trubek

Na kalených vzorcích testu kalicí tvrdosti celkové tloušťky stěny lze výsledky celkové tvrdosti stěny, jak je znázorněno na obrázku 2, vidět na obrázku 2, ve vzdálenosti 21 ~ 24 mm od vnější strany začala tvrdost při kalení výrazně klesat, a z vnější strany 21 ~ 24 mm je vysokoteplotní popouštění trubky zjištěno v oblasti prstencové trhliny, oblast pod a nad tloušťkou stěny tvrdosti extrémního rozdílu mezi polohou tloušťky stěny regionu dosáhl 5 (HRC) nebo tak. Rozdíl tvrdosti mezi spodní a horní tloušťkou stěny této oblasti je asi 5 (HRC). Metalografická organizace v kaleném stavu je znázorněna na obr. 3. Z metalografické organizace na obr. 3; je vidět, že organizace ve vnější oblasti trubky je tvořena malým množstvím feritu + martenzitu, zatímco organizace v blízkosti vnitřního povrchu není zhášena, s malým množstvím feritu a bainitu, což vede k nízké kalicí tvrdosti od vnějšího povrchu trubky k vnitřnímu povrchu trubky ve vzdálenosti 21 mm. Vysoký stupeň konzistence prstencových trhlin ve stěně trubky a poloha extrémního rozdílu v kalicí tvrdosti naznačují, že prstencové trhliny pravděpodobně vzniknou v procesu kalení. Vysoká konzistence mezi umístěním prstencových trhlin a nižší tvrdostí kalení naznačuje, že prstencové trhliny mohly vzniknout během procesu kalení.

2.3 Metalografické výsledky ocelové trubky jsou uvedeny na obr. 4 a obr. 5, v tomto pořadí.

Matricová organizace ocelové trubky je temperovaný austenit + malé množství feritu + malé množství bainitu, se zrnitostí 8, což je průměrná temperovaná organizace; trhliny se rozprostírají v podélném směru, který patří ke krystalickému popraskání, a obě strany trhlin mají typické vlastnosti zabírání; dochází k fenoménu oduhličení na obou stranách a na povrchu trhlin je pozorovatelná vysokoteplotní vrstva šedého oxidu. Na obou stranách je oduhličení a na povrchu trhliny lze pozorovat vysokoteplotní vrstvu šedého oxidu a v okolí trhliny nejsou vidět žádné nekovové vměstky.

2.4 Morfologie trhlin a výsledky analýzy energetického spektra

Po otevření lomu je mikromorfologie lomu pozorována pod rastrovacím elektronovým mikroskopem, jak je znázorněno na obr. 6, který ukazuje, že lom byl vystaven vysokým teplotám a na povrchu došlo k vysokoteplotní oxidaci. Lom je převážně podél lomu krystalu, velikost zrna se pohybuje od 20 do 30 μm a nejsou nalezena žádná hrubá zrna a abnormální organizační vady; analýza energetického spektra ukazuje, že povrch lomu se skládá hlavně ze železa a jeho oxidů a nejsou vidět žádné abnormální cizí prvky. Spektrální analýza ukazuje, že povrch lomu je primárně tvořen železem a jeho oxidy, bez abnormálního cizího prvku.

3 Analýza a diskuse

3.1 Analýza trhlinových vad

Z hlediska mikromorfologie trhliny je otvor trhliny přímý; ocas je zakřivený a ostrý; dráha rozšíření trhliny vykazuje charakteristiky praskání podél krystalu a dvě strany trhliny mají typické síťové charakteristiky, což jsou obvyklé charakteristiky trhlin při kalení. Metalografické zkoumání však zjistilo, že na obou stranách trhliny dochází k dekarbonizačnímu jevu, což není v souladu s charakteristikami tradičních trhlin při kalení, s přihlédnutím ke skutečnosti, že teplota popouštění ocelové trubky je 735 ℃, a Ac1 je 738 ℃ v SAE 4140, což není v souladu s konvenčními charakteristikami trhlin při kalení. Vzhledem k tomu, že popouštěcí teplota použitá pro trubku je 735 °C a Ac1 SAE 4140 je 738 °C, což jsou velmi blízko u sebe, předpokládá se, že oduhličení na obou stranách trhliny souvisí s vysokou teplotní popouštění během popouštění (735 °C) a nejedná se o trhlinu, která existovala již před tepelným zpracováním trubky.

3.2 Příčiny praskání

Příčiny trhlin při kalení obecně souvisejí s teplotou kalícího ohřevu, rychlostí ochlazování kalením, metalurgickými defekty a kalicími napětími. Z výsledků analýzy složení vyplývá, že chemické složení trubky splňuje požadavky třídy oceli SAE 4140 v normě ASTM A519 a nebyly zjištěny žádné nadbytečné prvky; v blízkosti trhlin nebyly nalezeny žádné nekovové inkluze a analýza energetického spektra na lomu trhliny ukázala, že šedé oxidační produkty v trhlinách byly Fe a jeho oxidy a nebyly pozorovány žádné abnormální cizí prvky, takže lze vyloučit, že metalurgické vady způsobily prstencové trhliny; stupeň zrnitosti trubky byl stupeň 8 a stupeň zrnitosti byl stupeň 7 a velikost zrna byla stupeň 8 a velikost zrna byla stupeň 8. Úroveň zrnitosti trubky je 8; zrno je zjemněno a není hrubé, což naznačuje, že trhlina při kalení nemá nic společného s teplotou ohřevu při kalení.

Vznik kalících trhlin úzce souvisí s kalícími napětími, rozdělenými na tepelná a organizační. Tepelné namáhání je způsobeno procesem chlazení ocelové trubky; povrchová vrstva a srdce rychlosti chlazení ocelové trubky nejsou konzistentní, což má za následek nerovnoměrné smršťování materiálu a vnitřní pnutí; výsledkem je, že povrchová vrstva ocelové trubky je vystavena tlakovým napětím a jádro tahových napětí; tkáňová napětí je zhášení organizace ocelové trubky na martenzitovou transformaci, spolu s rozšířením objemu nekonzistence při vytváření vnitřních napětí, organizace napětí generovaných výsledkem je povrchová vrstva tahových napětí, střed tahových napětí. Tyto dva druhy napětí v ocelové trubce existují ve stejné části, ale role směru je opačná; kombinovaný účinek výsledku je, že dominantní faktor jednoho ze dvou napětí, dominantní role tepelného napětí je výsledkem tahu srdce obrobku, povrchového tlaku; tkáňové napětí dominantní roli je výsledkem srdce obrobku tahový tlak povrchový tah.

Kalení ocelové trubky SAE 4140 pomocí rotační výroby vnějšího sprchového chlazení, rychlost ochlazování vnějšího povrchu je mnohem větší než vnitřního povrchu, vnější kov ocelové trubky je zakalený, zatímco vnitřní kov není zcela zakalený, aby se vytvořila část organizace feritu a bainitu, vnitřní kov v důsledku vnitřního kovu nemůže být plně přeměněn na martenzitickou organizaci, vnitřní kov ocelové trubky je nevyhnutelně vystaven tahovému napětí generovanému expanzí vnější stěny martenzitu a při současně se v důsledku různých typů organizace liší jeho specifický objem mezi vnitřním a vnějším kovem Současně je v důsledku různých druhů organizace konkrétní objem vnitřní a vnější vrstvy kovu odlišný a rychlost smršťování není během ochlazování stejná, tahové napětí bude také generováno na rozhraní dvou typů organizace a distribuci napětí dominují tepelná napětí a tahové napětí generované na rozhraní dva typy organizace uvnitř trubky jsou největší, což má za následek praskliny kalící prstence, které se vyskytují v oblasti tloušťky stěny trubky blízko vnitřního povrchu (21~24 mm od vnějšího povrchu); kromě toho je konec ocelové trubky částí celé trubky citlivou na geometrii, která je náchylná k vytváření napětí. Konec trubky je navíc geometricky citlivou částí celé trubky, která je náchylná ke koncentraci napětí. Tato prstencová trhlina se obvykle vyskytuje pouze na konci trubky a takové trhliny nebyly v tělese trubky nalezeny.

Stručně řečeno, trhliny prstencového tvaru prstencových ocelových trubek z tlustostěnných ocelových trubek SAE 4140 jsou způsobeny nerovnoměrným chlazením vnitřní a vnější stěny; rychlost ochlazování vnější stěny je mnohem vyšší než rychlost ochlazování vnitřní stěny; výroba silnostěnné ocelové trubky SAE 4140 ke změně stávajícího způsobu chlazení, nelze ji použít pouze mimo proces chlazení, je třeba posílit chlazení vnitřní stěny ocelové trubky, zlepšit rovnoměrnost rychlosti chlazení vnitřní a vnější stěny silnostěnné ocelové trubky, aby se snížila koncentrace napětí a odstranily se praskliny v prstenci. Prsten praská.

3.3 Opatření ke zlepšení

Aby se předešlo trhlinám při kalení, při návrhu procesu kalení jsou faktory pro tvorbu trhlin všechny podmínky, které přispívají k rozvoji tahových napětí kalení, včetně teploty ohřevu, procesu chlazení a výstupní teploty. Navrhovaná vylepšená procesní opatření zahrnují: kalicí teplotu 830-850 ℃; použití vnitřní trysky přizpůsobené středové ose potrubí, řízení vhodného vnitřního rozstřikovacího proudu, zlepšení rychlosti chlazení vnitřního otvoru, aby se zajistilo, že rychlost chlazení vnitřní a vnější stěny silnostěnné ocelové trubky jednotnost; řízení teploty po kalení 150-200 ℃, použití zbytkové teploty ocelových trubek při samopopouštění, snížení kalení napětí v ocelové trubce.

Použití vylepšené technologie produkuje ∅158,75 × 34,93 mm, ∅139,7 × 31,75 mm, ∅254 × 38,1 mm, ∅224 × 26 mm atd. podle desítek specifikací ocelových trubek. Po ultrazvukové kontrole vad jsou výrobky kvalifikované, bez prasklin způsobujících zhášení prstenců.

4. Závěr

(1) Podle makroskopických a mikroskopických charakteristik prasklin potrubí patří prstencové praskliny na koncích trubek ocelových trubek SAE 4140 k poruchám prasklin způsobeným pnutím při kalení, které se obvykle vyskytuje na koncích trubek.

(2) Zakalené prstencové trhliny v silnostěnné ocelové trubce SAE 4140 jsou způsobeny nerovnoměrným chlazením vnitřní a vnější stěny. Rychlost ochlazování vnější stěny je mnohem vyšší než rychlost ochlazování vnitřní stěny. Pro zlepšení rovnoměrnosti rychlosti ochlazování vnitřní a vnější stěny silnostěnné ocelové trubky musí výroba silnostěnné ocelové trubky SAE 4140 posílit chlazení vnitřní stěny.