Analyse af årsagerne til ringformede revner i bratkølede SAE 4140 sømløse stålrør

Årsagen til den ringformede revne i rørenden af SAE 4140 sømløse stålrør blev undersøgt ved kemisk sammensætningsundersøgelse, hårdhedstest, metallografisk observation, scanningelektronmikroskop og energispektrumanalyse. Resultaterne viser, at den ringformede revne i SAE 4140 sømløse stålrør er en slukningsrevne, der generelt forekommer i rørets ende. Årsagen til slukningsrevnen er de forskellige kølehastigheder mellem inder- og ydervæggene, og ydervæggens kølehastighed er meget højere end den indvendige vægs, hvilket resulterer i revnefejl forårsaget af spændingskoncentration nær indervægspositionen. Den ringformede revne kan elimineres ved at øge kølehastigheden af stålrørets indvendige væg under bratkøling, forbedre ensartetheden af kølehastigheden mellem inder- og ydervæggen og kontrollere temperaturen efter bratkøling til at være inden for 150 ~ 200 ℃ for at reducere slukningsstressen ved selvhærdning.

SAE 4140 er et CrMo lavlegeret konstruktionsstål, er den amerikanske ASTM A519 standardkvalitet, i den nationale standard 42CrMo baseret på stigningen i Mn-indholdet; derfor er SAE 4140-hærdbarheden blevet yderligere forbedret. SAE 4140 sømløse stålrør, i stedet for solidt smedning, kan rullende billetproduktion af forskellige typer hule aksler, cylindre, ærmer og andre dele betydeligt forbedre produktionseffektiviteten og spare stål; SAE 4140 stålrør er meget udbredt i olie- og gasfelts minedrift skrueboreværktøjer og andet boreudstyr. SAE 4140 sømløse stålrørshærdningsbehandling kan opfylde kravene til forskellige stålstyrker og sejhedsmatchning ved at optimere varmebehandlingsprocessen. Alligevel viser det sig ofte at påvirke produktleveringsfejl i produktionsprocessen. Dette papir fokuserer hovedsageligt på SAE 4140 stålrør i bratkølingsprocessen i midten af vægtykkelsen af enden af røret, producerer en ringformet revnedefektanalyse og foreslår forbedringstiltag.

1. Testmaterialer og -metoder

En virksomhed fremstillede specifikationer for ∅ 139,7 × 31,75 mm sømløse stålrør af stålkvalitet SAE 4140, produktionsprocessen for billetopvarmning → gennemboring → rulning → dimensionering → temperering (850 ℃ iblødsætningstid på 70 min bratkøling + rørkøling uden for vandbruseren +735 ℃ iblødsætningstid på 2 timers temperering) → Fejldetektion og inspektion. Efter anløbningsbehandlingen viste fejldetektionsinspektionen, at der var en ringformet revne i midten af vægtykkelsen ved rørenden, som vist i fig. 1; den ringformede revne viste sig i en afstand på ca. 21~24 mm fra ydersiden, cirklede rundt om rørets omkreds og var delvist diskontinuerlig, mens der ikke blev fundet en sådan defekt i rørlegemet.

Tag partiet af bratkølingsprøver af stålrør til bratkølingsanalyse og bratkølingsorganisationsobservation og spektralanalyse af sammensætningen af stålrøret på samme tid i de hærdede stålrørsrevner for at tage prøver med høj effekt for at observere sprækkemikromorfologien , kornstørrelsesniveau, og i scanningselektronmikroskopet med et spektrometer for revnerne i den indre sammensætning af mikroarealanalysen.

2. Testresultater

2.1 Kemisk sammensætning

Tabel 1 viser resultaterne af spektralanalyse af den kemiske sammensætning, og sammensætningen af elementerne er i overensstemmelse med kravene i ASTM A519-standarden.

Tabel 1 Analyseresultater for kemisk sammensætning (massefraktion, %)

Element	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Cu	Ni
Indhold	0.39	0.20	0.82	0.01	0.005	0.94	0.18	0.05	0.02
ASTM A519-krav	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 Rørhærdningstest

På de bratkølede prøver af den samlede vægtykkelses-hærdningshårdhedstest kan resultaterne for den samlede vægtykkelseshårdhed, som vist i figur 2, ses i figur 2, i 21 ~ 24 mm fra ydersiden af bratkølingshårdheden begyndte at falde betydeligt, og fra ydersiden af de 21 ~ 24 mm er højtemperatur-anløbning af røret fundet i området af ringrevnen, området under og over vægtykkelsen af hårdheden af den ekstreme forskel mellem placeringen af vægtykkelsen af regionen nåede 5 (HRC) eller deromkring. Hårdhedsforskellen mellem dette områdes nedre og øvre vægtykkelse er omkring 5 (HRC). Den metallografiske organisation i den bratkølede tilstand er vist i fig. 3. Fra den metallografiske organisation i fig. 3; det kan ses, at organisationen i det ydre område af røret er en lille mængde ferrit + martensit, mens organisationen nær den indre overflade ikke er quenched, med en lille mængde ferrit og bainit, hvilket fører til den lave quenching hårdhed fra rørets ydre overflade til rørets indvendige overflade i en afstand på 21 mm. Den høje grad af konsistens af ringrevner i rørvæggen og placeringen af ekstreme forskelle i bratkølingshårdhed tyder på, at der sandsynligvis vil opstå ringrevner i bratkølingsprocessen. Den høje konsistens mellem ringrevnernes placering og den ringere bratkølende hårdhed indikerer, at ringrevnerne kan være opstået under bratkølingsprocessen.

2.3 De metallografiske resultater af stålrøret er vist i henholdsvis fig. 4 og fig. 5.

Stålrørets matrixorganisation er hærdet austenit + en lille mængde ferrit + en lille mængde bainit, med en kornstørrelse på 8, hvilket er en gennemsnitlig hærdet organisation; revnerne strækker sig langs den langsgående retning, som hører til langs den krystallinske revnedannelse, og de to sider af revnerne har de typiske egenskaber, at de går i indgreb; der er fænomenet afkulning på begge sider, og højtemperatur gråt oxidlag kan observeres på overfladen af revnerne. Der er afkulning på begge sider, og der kan observeres et højtemperatur gråt oxidlag på revneoverfladen, og der kan ikke ses ikke-metalliske indeslutninger i nærheden af revnen.

2.4 Revnefrakturmorfologi og energispektrumanalyseresultater

Efter bruddet er åbnet, observeres bruddets mikromorfologi under scanningselektronmikroskopet, som vist i fig. 6, som viser, at bruddet har været udsat for høje temperaturer, og der er sket højtemperaturoxidation på overfladen. Bruddet er hovedsageligt langs krystalbruddet, med kornstørrelsen fra 20 til 30 μm, og der findes ingen grove korn og unormale organisatoriske defekter; energispektrumanalysen viser, at bruddets overflade hovedsageligt består af jern og dets oxider, og der ses ingen unormale fremmedelementer. Spektralanalyse viser, at brudoverfladen primært er jern og dets oxider, uden noget unormalt fremmedelement.

3 Analyse og diskussion

3.1 Analyse af revnefejl

Fra et synspunkt om sprækkemikromorfologi er revneåbningen lige; halen er buet og skarp; revneforlængelsen viser karakteristikaene ved revnedannelse langs krystallen, og de to sider af revnen har typiske maskekarakteristika, som er de sædvanlige karakteristika ved slukning af revner. Alligevel viste den metallografiske undersøgelse, at der er afkulningsfænomener på begge sider af revnen, hvilket ikke er i overensstemmelse med karakteristikaene for de traditionelle bratkølingsrevner, idet der tages højde for det faktum, at stålrørets anløbningstemperatur er 735 ℃, og Ac1 er 738 ℃ i SAE 4140, hvilket ikke er i overensstemmelse med de konventionelle egenskaber ved slukning af revner. I betragtning af at den anvendte anløbningstemperatur for røret er 735 °C og Ac1 i SAE 4140 er 738 °C, som er meget tæt på hinanden, antages det, at afkulningen på begge sider af revnen er relateret til høj- temperaturhærdning under anløbningen (735 °C) og er ikke en revne, der allerede eksisterede før varmebehandlingen af røret.

3.2 Årsager til revnedannelse

Årsagerne til bratkølingsrevner er generelt relateret til bratkølingsopvarmningstemperaturen, bratkølingshastigheden, metallurgiske defekter og bratkølingsspændinger. Ud fra resultaterne af sammensætningsanalyse opfylder den kemiske sammensætning af røret kravene i SAE 4140 stålkvalitet i ASTM A519-standarden, og der blev ikke fundet overskridende elementer; der blev ikke fundet ikke-metalliske indeslutninger i nærheden af revnerne, og energispektrumanalysen ved revnebruddet viste, at de grå oxidationsprodukter i revnerne var Fe og dets oxider, og der blev ikke set unormale fremmedelementer, hvorfor det kan udelukkes, at metallurgiske defekter forårsagede de ringformede revner; rørets kornstørrelsesgrad var Grade 8, og kornstørrelsesgraden var Grade 7, og kornstørrelsen var Grade 8, og kornstørrelsen var Grade 8. Kornstørrelsesniveauet for røret er 8; kornet er raffineret og ikke groft, hvilket indikerer, at slukningsrevnen ikke har noget at gøre med slukningsvarmetemperaturen.

Dannelsen af bratningsrevner er tæt forbundet med bratkølingsspændingerne, opdelt i termiske og organisatoriske spændinger. Termisk spænding skyldes stålrørets køleproces; overfladelaget og hjertet af stålrørets kølehastighed er ikke konsistente, hvilket resulterer i ujævn sammentrækning af materialet og indre spændinger; resultatet er, at stålrørets overfladelag udsættes for trykspændinger og hjertet af trækspændingerne; vævsspændinger er slukningen af stålrørsorganisationen til martensittransformationen, sammen med udvidelsen af volumen af inkonsistens i genereringen af de interne spændinger, organisationen af spændinger genereret af resultatet er overfladelaget af trækspændinger, centrum af trækspændingerne. Disse to slags spændinger i stålrøret findes i samme del, men retningsrollen er den modsatte; den kombinerede effekt af resultatet er, at en af de to spændinger dominerende faktor, termisk spænding dominerende rolle er resultatet af emnet hjerte trækstyrke, overfladetryk; væv stress dominerende rolle er resultatet af emnet hjerte træktryk overflade træk.

SAE 4140 stålrør bratkøling ved hjælp af roterende ydre brusekøling produktion, kølehastigheden af den ydre overflade er meget større end den indvendige overflade, det ydre metal af stålrøret er alt bratkølet, mens det indre metal ikke er helt bratkølet for at producere en del af ferrit- og bainitorganisation, kan det indre metal på grund af det indre metal ikke omdannes fuldt ud til martensitisk organisation, stålrørets indre metal udsættes uundgåeligt for trækspændingen, der genereres af udvidelsen af martensittens ydre væg, og kl. på samme tid, på grund af de forskellige typer af organisation, er dens specifikke volumen forskellig mellem det indre og ydre metal. På samme tid, på grund af de forskellige former for organisation, er det særlige volumen af de indre og ydre lag af metallet forskelligt , og krympningshastigheden ikke er den samme under afkøling, vil trækspænding også blive genereret ved grænsefladen mellem de to typer organisation, og fordelingen af spændingen er domineret af de termiske spændinger, og trækspændingen genereret ved grænsefladen mellem de to typer organisering inde i røret er den største, hvilket resulterer i, at ringen dæmper revner, der opstår i området af rørets vægtykkelse tæt på den indvendige overflade (21~24 mm væk fra den ydre overflade); desuden er enden af stålrøret en geometrifølsom del af hele røret, der er tilbøjelig til at generere stress. Derudover er enden af røret en geometrisk følsom del af hele røret, som er tilbøjelig til spændingskoncentration. Denne ringrevne opstår normalt kun i enden af røret, og sådanne revner er ikke fundet i rørlegemet.

Sammenfattende er bratkølede SAE 4140 tykvæggede stålrør ringformede revner forårsaget af ujævn afkøling af inder- og ydervægge; kølehastigheden af den ydre væg er meget højere end den for den indre væg; produktion af SAE 4140 tykvæggede stålrør for at ændre den eksisterende kølemetode, kan ikke kun bruges uden for køleprocessen, behovet for at styrke afkølingen af stålrørets indervæg for at forbedre ensartetheden af kølehastigheden af de indvendige og ydre vægge af det tykvæggede stålrør for at reducere spændingskoncentrationen, hvilket eliminerer ringrevnerne. Ringrevner.

3.3 Forbedringsforanstaltninger

For at undgå bratkølingsrevner er alle de forhold, der bidrager til udviklingen af bratkølende trækspændinger, faktorer for dannelsen af revner, herunder opvarmningstemperaturen, køleprocessen og udledningstemperaturen. Forbedrede procesforanstaltninger, der foreslås, omfatter: bratkølingstemperatur på 830-850 ℃; brugen af en intern dyse matchet med rørets midterlinje, kontrol af den passende interne sprøjtestrøm, forbedring af kølehastigheden af det indre hul for at sikre, at kølehastigheden af de indre og ydre vægge af tykvæggede stålrørs kølehastighed ensartethed; kontrol af post-quenching temperatur på 150-200 ℃, brugen af stålrør resterende temperatur af selvhærdning, reducere quenching spændinger i stålrøret.

Brugen af forbedret teknologi producerer ∅158,75 × 34,93 mm, ∅139,7 × 31,75 mm, ∅254 × 38,1 mm, ∅224 × 26 mm og så videre ifølge snesevis af stålrørsspecifikationer. Efter ultralydsfejlinspektion er produkterne kvalificerede uden ringdæmpende revner.

4. Konklusion

(1) Ifølge de makroskopiske og mikroskopiske karakteristika ved rørrevner tilhører de ringformede revner ved rørenderne af SAE 4140 stålrør revnefejlen forårsaget af bratkølingsspænding, som normalt opstår ved rørenderne.

(2) Afkølede SAE 4140 tykvæggede stålrør ringformede revner er forårsaget af ujævn afkøling af inder- og ydervægge. Afkølingshastigheden af ydervæggen er meget højere end indervæggens. For at forbedre ensartetheden af kølehastigheden af inder- og ydervæggene af det tykvæggede stålrør skal produktionen af SAE 4140 tykvæggede stålrør styrke afkølingen af indervæggen.