Análisis de las causas de las grietas en forma de anillo en tubos de acero sin costura SAE 4140 templados

La causa de la grieta en forma de anillo en el extremo del tubo de acero sin costura SAE 4140 se estudió mediante un examen de composición química, una prueba de dureza, una observación metalográfica, un microscopio electrónico de barrido y un análisis del espectro de energía. Los resultados muestran que la grieta en forma de anillo del tubo de acero sin costura SAE 4140 es una grieta de temple, que generalmente se produce en el extremo del tubo. La causa de la grieta de temple son las diferentes velocidades de enfriamiento entre las paredes interior y exterior, y la velocidad de enfriamiento de la pared exterior es mucho mayor que la de la pared interior, lo que da como resultado una falla por agrietamiento causada por la concentración de tensión cerca de la posición de la pared interior. La grieta en forma de anillo se puede eliminar aumentando la velocidad de enfriamiento de la pared interior del tubo de acero durante el temple, mejorando la uniformidad de la velocidad de enfriamiento entre la pared interior y la exterior y controlando la temperatura después del temple para que esté dentro de 150 ~ 200 ℃ para reducir la tensión de temple mediante autotemplado.

SAE 4140 es un acero estructural de baja aleación CrMo, es el grado estándar estadounidense ASTM A519, en el estándar nacional 42CrMo basado en el aumento del contenido de Mn; por lo tanto, la templabilidad SAE 4140 se ha mejorado aún más. Tubos de acero sin costura SAE 4140, en lugar de forjados sólidos, la producción de palanquilla laminada de varios tipos de ejes huecos, cilindros, manguitos y otras piezas puede mejorar significativamente la eficiencia de producción y ahorrar acero; Los tubos de acero SAE 4140 se utilizan ampliamente en herramientas de perforación de tornillo de minería de yacimientos de petróleo y gas y otros equipos de perforación. El tratamiento de templado de tubos de acero sin costura SAE 4140 puede cumplir con los requisitos de diferentes resistencias de acero y adaptación de tenacidad al optimizar el proceso de tratamiento térmico. Aún así, a menudo se descubre que afecta los defectos de entrega del producto en el proceso de producción. Este documento se centra principalmente en los tubos de acero SAE 4140 en el proceso de temple en el medio del espesor de la pared del extremo del tubo, produce un análisis de defectos de grietas en forma de anillo y propone medidas de mejora.

1. Materiales y métodos de prueba

Una empresa elaboró especificaciones para tubos de acero sin costura de grado SAE 4140 de ∅ 139,7 × 31,75 mm, el proceso de producción para el calentamiento de la palanquilla → perforación → laminado → dimensionamiento → revenido (850 ℃ tiempo de remojo de 70 min de temple + tubo que gira fuera de la ducha de agua de enfriamiento +735 ℃ tiempo de remojo de 2 h de revenido) → Detección e inspección de fallas. Después del tratamiento de revenido, la inspección de detección de fallas reveló que había una grieta anular en el medio del espesor de la pared en el extremo del tubo, como se muestra en la Fig. 1; la grieta anular apareció a unos 21~24 mm de distancia del exterior, rodeó la circunferencia del tubo y fue parcialmente discontinua, mientras que no se encontró tal defecto en el cuerpo del tubo.

Tome el lote de muestras de temple de tubos de acero para el análisis de temple y la observación de la organización del temple, y el análisis espectral de la composición de la tubería de acero, al mismo tiempo, en las grietas de la tubería de acero templado para tomar muestras de alta potencia para observar la micromorfología de la grieta, el nivel de tamaño de grano y en el microscopio electrónico de barrido con un espectrómetro para las grietas en la composición interna del análisis de microáreas.

2. Resultados de la prueba

2.1 Composición química

La Tabla 1 muestra los resultados del análisis espectral de la composición química, y la composición de los elementos está de acuerdo con los requisitos de la norma ASTM A519.

Tabla 1 Resultados del análisis de composición química (fracción de masa, %)

Elemento	C	Si	Minnesota	PAG	S	cr	Mes	Cu	Ni
Contenido	0.39	0.20	0.82	0.01	0.005	0.94	0.18	0.05	0.02
Requisito 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 Prueba de templabilidad del tubo

En las muestras templadas de la prueba de dureza de temple del espesor de pared total, los resultados de dureza del espesor de pared total, como se muestra en la Figura 2, se pueden ver en la Figura 2, en 21 ~ 24 mm desde el exterior de la dureza de temple comenzó a caer significativamente, y desde el exterior de los 21 ~ 24 mm es el revenido a alta temperatura de la tubería que se encuentra en la región de la grieta del anillo, el área por debajo y por encima del espesor de pared de la dureza de la diferencia extrema entre la posición del espesor de pared de la región alcanzó 5 (HRC) o más. La diferencia de dureza entre los espesores de pared inferior y superior de esta área es de aproximadamente 5 (HRC). La organización metalográfica en el estado templado se muestra en la Fig. 3. De la organización metalográfica en la Fig. 3; Se puede observar que la organización en la región exterior de la tubería es una pequeña cantidad de ferrita + martensita, mientras que la organización cerca de la superficie interior no está templada, con una pequeña cantidad de ferrita y bainita, lo que conduce a la baja dureza de temple desde la superficie exterior de la tubería hasta la superficie interior de la tubería a una distancia de 21 mm. El alto grado de consistencia de las grietas anulares en la pared de la tubería y la posición de la diferencia extrema en la dureza de temple sugieren que es probable que se produzcan grietas anulares en el proceso de temple. La alta consistencia entre la ubicación de las grietas anulares y la dureza de temple inferior indica que las grietas anulares pueden haberse producido durante el proceso de temple.

2.3 Los resultados metalográficos de la tubería de acero se muestran en la Fig. 4 y la Fig. 5, respectivamente.

La organización matricial de la tubería de acero es austenita templada + una pequeña cantidad de ferrita + una pequeña cantidad de bainita, con un tamaño de grano de 8, que es una organización templada promedio; las grietas se extienden a lo largo de la dirección longitudinal, que pertenece a lo largo del agrietamiento cristalino, y los dos lados de las grietas tienen las características típicas de enganche; existe el fenómeno de descarburación en ambos lados, y se observa una capa de óxido gris de alta temperatura en la superficie de las grietas. Hay descarburación en ambos lados, y se puede observar una capa de óxido gris de alta temperatura en la superficie de la grieta, y no se pueden ver inclusiones no metálicas en las proximidades de la grieta.

2.4 Resultados del análisis de la morfología de la fractura de grietas y del espectro de energía

Después de abrir la fractura, se observa la micromorfología de la fractura bajo el microscopio electrónico de barrido, como se muestra en la Fig. 6, que muestra que la fractura ha sido sometida a altas temperaturas y se ha producido oxidación a alta temperatura en la superficie. La fractura se encuentra principalmente a lo largo de la fractura cristalina, con un tamaño de grano que varía de 20 a 30 μm, y no se encuentran granos gruesos ni defectos organizativos anormales; el análisis del espectro de energía muestra que la superficie de la fractura está compuesta principalmente de hierro y sus óxidos, y no se observan elementos extraños anormales. El análisis espectral muestra que la superficie de la fractura es principalmente de hierro y sus óxidos, sin ningún elemento extraño anormal.

3 Análisis y discusión

3.1 Análisis de defectos de grietas

Desde el punto de vista de la micromorfología de la grieta, la abertura de la grieta es recta; la cola es curva y afilada; la trayectoria de extensión de la grieta muestra las características de agrietamiento a lo largo del cristal, y los dos lados de la grieta tienen características de malla típicas, que son las características habituales de las grietas de temple. Aún así, el examen metalográfico encontró que existen fenómenos de descarburación en ambos lados de la grieta, lo que no está en línea con las características de las grietas de temple tradicionales, teniendo en cuenta el hecho de que la temperatura de revenido de la tubería de acero es de 735 ℃ y Ac1 es de 738 ℃ en SAE 4140, lo que no está en línea con las características convencionales de las grietas de temple. Considerando que la temperatura de revenido utilizada para la tubería es de 735 °C y la Ac1 de SAE 4140 es de 738 °C, que son muy cercanas entre sí, se supone que la descarburación en ambos lados de la grieta está relacionada con el revenido a alta temperatura durante el revenido (735 °C) y no es una grieta que ya existía antes del tratamiento térmico de la tubería.

3.2 Causas del agrietamiento

Las causas de las grietas por temple generalmente están relacionadas con la temperatura de calentamiento del temple, la velocidad de enfriamiento del temple, los defectos metalúrgicos y las tensiones de temple. A partir de los resultados del análisis de composición, la composición química de la tubería cumple con los requisitos del grado de acero SAE 4140 en la norma ASTM A519, y no se encontraron elementos excedentes; no se encontraron inclusiones no metálicas cerca de las grietas, y el análisis del espectro de energía en la fractura de la grieta mostró que los productos de oxidación gris en las grietas eran Fe y sus óxidos, y no se observaron elementos extraños anormales, por lo que se puede descartar que los defectos metalúrgicos causaran las grietas anulares; el grado de tamaño de grano de la tubería era Grado 8, y el grado de tamaño de grano era Grado 7, y el tamaño de grano era Grado 8, y el tamaño de grano era Grado 8. El nivel de tamaño de grano de la tubería es 8; el grano es refinado y no grueso, lo que indica que la grieta por temple no tiene nada que ver con la temperatura de calentamiento del temple.

La formación de grietas por temple está estrechamente relacionada con las tensiones de temple, divididas en tensiones térmicas y organizativas. La tensión térmica se debe al proceso de enfriamiento de la tubería de acero; la capa superficial y el corazón de la tubería de acero tienen una velocidad de enfriamiento no uniforme, lo que da como resultado una contracción desigual del material y tensiones internas; el resultado es que la capa superficial de la tubería de acero está sujeta a tensiones de compresión y el corazón a tensiones de tracción; las tensiones de tejido son el temple de la organización de la tubería de acero a la transformación de martensita, junto con la expansión del volumen de inconsistencia en la generación de las tensiones internas, la organización de tensiones generadas por el resultado es la capa superficial de tensiones de tracción, el centro de las tensiones de tracción. Estos dos tipos de tensiones en la tubería de acero existen en la misma parte, pero el papel de dirección es opuesto; el efecto combinado del resultado es que uno de los dos factores de tensión dominante, el papel dominante de la tensión térmica es el resultado de la tracción del corazón de la pieza de trabajo, la presión superficial; El papel dominante de la tensión tisular es el resultado de la presión de tracción del corazón de la pieza de trabajo y la tracción superficial.

SAE 4140 temple de tubos de acero utilizando la producción de enfriamiento por ducha exterior giratoria, la tasa de enfriamiento de la superficie exterior es mucho mayor que la superficie interior, el metal exterior de la tubería de acero se enfría por completo, mientras que el metal interior no se enfría por completo para producir parte de la organización de ferrita y bainita, el metal interior debido al metal interior no se puede convertir completamente en organización martensítica, el metal interior de la tubería de acero está inevitablemente sujeto a la tensión de tracción generada por la expansión de la pared exterior de la martensita y, al mismo tiempo, debido a los diferentes tipos de organización, su volumen específico es diferente entre el metal interior y exterior Al mismo tiempo, debido a los diversos tipos de organización, el volumen particular de las capas interna y externa del metal es diferente y la tasa de contracción no es la misma durante el enfriamiento, la tensión de tracción también se generará en la interfaz de los dos tipos de organización, y la distribución de la tensión está dominada por las tensiones térmicas, y la tensión de tracción generada en la interfaz de los dos tipos de organización dentro de la tubería es la más grande, lo que resulta en el anillo Grietas por extinción que se producen en la zona del espesor de la pared de la tubería cerca de la superficie interior (21~24 mm de distancia de la superficie exterior); además, el extremo de la tubería de acero es una parte sensible a la geometría de toda la tubería, propensa a generar tensión. Además, el extremo de la tubería es una parte geométricamente sensible de toda la tubería, que es propensa a la concentración de tensión. Esta grieta anular generalmente se produce solo en el extremo de la tubería, y no se han encontrado grietas de este tipo en el cuerpo de la tubería.

En resumen, las grietas en forma de anillo de las tuberías de acero de pared gruesa SAE 4140 templadas son causadas por un enfriamiento desigual de las paredes internas y externas; la tasa de enfriamiento de la pared externa es mucho mayor que la de la pared interna; la producción de tuberías de acero de pared gruesa SAE 4140 para cambiar el método de enfriamiento existente, no se puede utilizar solo fuera del proceso de enfriamiento, la necesidad de fortalecer el enfriamiento de la pared interna de la tubería de acero, para mejorar la uniformidad de la tasa de enfriamiento de las paredes internas y externas de la tubería de acero de pared gruesa para reducir la concentración de tensión, eliminando las grietas en anillo. Grietas en anillo.

3.3 Medidas de mejora

Para evitar grietas por temple, en el diseño del proceso de temple, todas las condiciones que contribuyen al desarrollo de tensiones de tracción por temple son factores para la formación de grietas, incluyendo la temperatura de calentamiento, el proceso de enfriamiento y la temperatura de descarga. Las medidas de proceso mejoradas propuestas incluyen: temperatura de temple de 830-850 ℃; el uso de una boquilla interna que coincida con la línea central de la tubería, control del flujo de rociado interno apropiado, mejora de la velocidad de enfriamiento del orificio interior para asegurar que la velocidad de enfriamiento de las paredes internas y externas de la tubería de acero de pared gruesa sea uniforme; control de la temperatura posterior al temple de 150-200 ℃, el uso de la temperatura residual de la tubería de acero del autotemplado, reduce las tensiones de temple en la tubería de acero.

El uso de tecnología mejorada produce ∅158,75 × 34,93 mm, ∅139,7 × 31,75 mm, ∅254 × 38,1 mm, ∅224 × 26 mm, etc., de acuerdo con docenas de especificaciones de tubos de acero. Después de la inspección de fallas por ultrasonidos, los productos están calificados, sin grietas por temple de anillo.

4. Conclusión

(1) De acuerdo con las características macroscópicas y microscópicas de las grietas en las tuberías, las grietas anulares en los extremos de las tuberías de acero SAE 4140 pertenecen a la falla por agrietamiento causada por la tensión de temple, que generalmente ocurre en los extremos de las tuberías.

(2) Las grietas en forma de anillo de los tubos de acero de pared gruesa SAE 4140 templados se deben a un enfriamiento desigual de las paredes internas y externas. La velocidad de enfriamiento de la pared externa es mucho mayor que la de la pared interna. Para mejorar la uniformidad de la velocidad de enfriamiento de las paredes internas y externas de los tubos de acero de pared gruesa, la producción de tubos de acero de pared gruesa SAE 4140 debe reforzar el enfriamiento de la pared interna.