Analyse des causes des fissures annulaires dans les tubes en acier sans soudure trempés SAE 4140

La raison de la fissure annulaire à l'extrémité du tube en acier sans soudure SAE 4140 a été étudiée par examen de la composition chimique, essai de dureté, observation métallographique, microscope électronique à balayage et analyse du spectre énergétique. Les résultats montrent que la fissure annulaire du tube en acier sans soudure SAE 4140 est une fissure de trempe, se produisant généralement à l'extrémité du tube. La raison de la fissure de trempe est la différence de vitesse de refroidissement entre les parois intérieures et extérieures, et la vitesse de refroidissement de la paroi extérieure est beaucoup plus élevée que celle de la paroi intérieure, ce qui entraîne une défaillance par fissuration causée par la concentration de contrainte près de la position de la paroi intérieure. La fissure annulaire peut être éliminée en augmentant la vitesse de refroidissement de la paroi intérieure du tube en acier pendant la trempe, en améliorant l'uniformité de la vitesse de refroidissement entre la paroi intérieure et la paroi extérieure et en contrôlant la température après trempe à 150 ~ 200 ℃ pour réduire la contrainte de trempe par auto-revenu.

Français Le SAE 4140 est un acier de construction faiblement allié au CrMo, il s'agit de la nuance standard américaine ASTM A519, dans la norme nationale 42CrMo basée sur l'augmentation de la teneur en Mn ; par conséquent, la trempabilité du SAE 4140 a été encore améliorée. Les tubes en acier sans soudure SAE 4140, au lieu de pièces forgées solides, la production de billettes laminées de divers types d'arbres creux, de cylindres, de manchons et d'autres pièces peut améliorer considérablement l'efficacité de la production et économiser de l'acier ; les tubes en acier SAE 4140 sont largement utilisés dans les outils de forage à vis pour l'exploitation minière des champs pétroliers et gaziers et d'autres équipements de forage. Le traitement de revenu des tubes en acier sans soudure SAE 4140 peut répondre aux exigences de différentes résistances et ténacités de l'acier en optimisant le processus de traitement thermique. Cependant, on constate souvent qu'il affecte les défauts de livraison du produit dans le processus de production. Cet article se concentre principalement sur les tubes en acier SAE 4140 dans le processus de trempe au milieu de l'épaisseur de paroi de l'extrémité du tube, produit une analyse des défauts de fissure en forme d'anneau et propose des mesures d'amélioration.

1. Matériels et méthodes d'essai

Français Une entreprise a produit des spécifications pour un tube en acier sans soudure de nuance d'acier SAE 4140 de ∅ 139,7 × 31,75 mm, le processus de production pour le chauffage de la billette → perçage → laminage → calibrage → revenu (850 ℃ temps de trempage de 70 min + tuyau tournant à l'extérieur du refroidissement par douche d'eau + 735 ℃ temps de trempage de 2 h de revenu) → Détection et inspection des défauts. Après le traitement de revenu, l'inspection de détection des défauts a révélé qu'il y avait une fissure annulaire au milieu de l'épaisseur de la paroi à l'extrémité du tube, comme illustré à la Fig. 1 ; la fissure annulaire est apparue à environ 21~24 mm de l'extérieur, a encerclé la circonférence du tube et était partiellement discontinue, alors qu'aucun défaut de ce type n'a été trouvé dans le corps du tube.

Prenez le lot d'échantillons de trempe de tuyaux en acier pour l'analyse de trempe et l'observation de l'organisation de trempe et l'analyse spectrale de la composition du tuyau en acier, en même temps, dans les fissures du tuyau en acier trempé pour prélever des échantillons de haute puissance pour observer la micromorphologie des fissures, le niveau de taille des grains et dans le microscope électronique à balayage avec un spectromètre pour les fissures dans la composition interne de l'analyse de la micro-zone.

2. Résultats des tests

2.1 Composition chimique

Le tableau 1 présente les résultats de l’analyse spectrale de la composition chimique et la composition des éléments est conforme aux exigences de la norme ASTM A519.

Tableau 1 Résultats de l'analyse de la composition chimique (fraction massique, %)

Élément	C	Si	Mn	P.	S	Cr	Mo	Cu	Ni
Contenu	0.39	0.20	0.82	0.01	0.005	0.94	0.18	0.05	0.02
Exigences de la norme 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 Essai de trempabilité des tubes

Sur les échantillons trempés de l'essai de dureté de trempe de l'épaisseur totale de la paroi, les résultats de dureté de l'épaisseur totale de la paroi, comme indiqué sur la figure 2, peuvent être vus sur la figure 2, à 21 ~ 24 mm de l'extérieur de la dureté de trempe a commencé à baisser de manière significative, et à partir de l'extérieur de 21 ~ 24 mm est le revenu à haute température du tube trouvé dans la région de la fissure annulaire, la zone en dessous et au-dessus de l'épaisseur de paroi de la dureté de la différence extrême entre la position de l'épaisseur de paroi de la région a atteint 5 (HRC) environ. La différence de dureté entre les épaisseurs de paroi inférieure et supérieure de cette zone est d'environ 5 (HRC). L'organisation métallographique à l'état trempé est illustrée sur la figure 3. D'après l'organisation métallographique de la figure 3 ; On peut voir que l'organisation dans la région extérieure du tube est une petite quantité de ferrite + martensite, tandis que l'organisation près de la surface intérieure n'est pas trempée, avec une petite quantité de ferrite et de bainite, ce qui conduit à une faible dureté de trempe de la surface extérieure du tube à la surface intérieure du tube à une distance de 21 mm. Le degré élevé de cohérence des fissures annulaires dans la paroi du tube et la position de différence extrême de dureté de trempe suggèrent que des fissures annulaires sont susceptibles de se produire au cours du processus de trempe. La cohérence élevée entre l'emplacement des fissures annulaires et la dureté de trempe inférieure indique que les fissures annulaires peuvent avoir été produites pendant le processus de trempe.

2.3 Les résultats métallographiques du tube en acier sont présentés respectivement dans les Fig. 4 et Fig. 5.

Français L'organisation matricielle du tube en acier est de l'austénite revenue + une petite quantité de ferrite + une petite quantité de bainite, avec une granulométrie de 8, ce qui est une organisation revenue moyenne ; les fissures s'étendent dans le sens longitudinal, ce qui correspond à la fissuration cristalline, et les deux côtés des fissures ont les caractéristiques typiques d'engagement ; il y a le phénomène de décarburation des deux côtés, et une couche d'oxyde gris à haute température est observable à la surface des fissures. Il y a une décarburation des deux côtés, et une couche d'oxyde gris à haute température peut être observée sur la surface de la fissure, et aucune inclusion non métallique n'est visible à proximité de la fissure.

2.4 Résultats de l'analyse de la morphologie des fractures et du spectre d'énergie

Français Après l'ouverture de la fracture, la micromorphologie de la fracture est observée au microscope électronique à balayage, comme le montre la figure 6, qui montre que la fracture a été soumise à des températures élevées et qu'une oxydation à haute température s'est produite sur la surface. La fracture se situe principalement le long de la fracture cristalline, avec une granulométrie comprise entre 20 et 30 μm, et aucun grain grossier ni défaut d'organisation anormal n'est trouvé ; l'analyse du spectre énergétique montre que la surface de la fracture est principalement composée de fer et de ses oxydes, et qu'aucun élément étranger anormal n'est observé. L'analyse spectrale montre que la surface de la fracture est principalement constituée de fer et de ses oxydes, sans élément étranger anormal.

3 Analyse et discussion

3.1 Analyse des défauts de fissures

Français Du point de vue de la micromorphologie de la fissure, l'ouverture de la fissure est droite ; la queue est courbée et pointue ; le chemin d'extension de la fissure présente les caractéristiques d'une fissuration le long du cristal, et les deux côtés de la fissure ont des caractéristiques de maillage typiques, qui sont les caractéristiques habituelles des fissures de trempe. Cependant, l'examen métallographique a révélé qu'il y a des phénomènes de décarburation des deux côtés de la fissure, ce qui n'est pas conforme aux caractéristiques des fissures de trempe traditionnelles, compte tenu du fait que la température de revenu du tube en acier est de 735 ℃ et que Ac1 est de 738 ℃ dans la norme SAE 4140, ce qui n'est pas conforme aux caractéristiques conventionnelles des fissures de trempe. Considérant que la température de revenu utilisée pour le tube est de 735 °C et que l'Ac1 de la norme SAE 4140 est de 738 °C, qui sont très proches l'une de l'autre, on suppose que la décarburation des deux côtés de la fissure est liée au revenu à haute température pendant le revenu (735 °C) et n'est pas une fissure qui existait déjà avant le traitement thermique du tube.

3.2 Causes de fissuration

Français Les causes des fissures de trempe sont généralement liées à la température de chauffage de trempe, à la vitesse de refroidissement de trempe, aux défauts métallurgiques et aux contraintes de trempe. D'après les résultats de l'analyse de composition, la composition chimique du tube répond aux exigences de la nuance d'acier SAE 4140 de la norme ASTM A519, et aucun élément excédentaire n'a été trouvé ; aucune inclusion non métallique n'a été trouvée à proximité des fissures, et l'analyse du spectre d'énergie au niveau de la fracture de la fissure a montré que les produits d'oxydation gris dans les fissures étaient du Fe et ses oxydes, et aucun élément étranger anormal n'a été observé, de sorte qu'il peut être exclu que des défauts métallurgiques aient causé les fissures annulaires ; la granulométrie du tube était de grade 8, et la granulométrie était de grade 7, et la granulométrie était de grade 8, et la granulométrie était de grade 8. Le niveau de granulométrie du tube est de 8 ; le grain est raffiné et non grossier, ce qui indique que la fissure de trempe n'a rien à voir avec la température de chauffage de trempe.

La formation de fissures de trempe est étroitement liée aux contraintes de trempe, divisées en contraintes thermiques et organisationnelles. La contrainte thermique est due au processus de refroidissement du tube en acier; la couche de surface et le cœur du tube en acier ne refroidissent pas à une vitesse constante, ce qui entraîne une contraction inégale du matériau et des contraintes internes; le résultat est que la couche de surface du tube en acier est soumise à des contraintes de compression et le cœur des contraintes de traction; les contraintes tissulaires sont la trempe de l'organisation du tube en acier à la transformation martensitique, ainsi que l'expansion du volume d'incohérence dans la génération des contraintes internes, l'organisation des contraintes générées par le résultat est la couche de surface des contraintes de traction, le centre des contraintes de traction. Ces deux types de contraintes dans le tube en acier existent dans la même pièce, mais le rôle de direction est le contraire; l'effet combiné du résultat est que l'un des deux facteurs dominants des contraintes, le rôle dominant de la contrainte thermique est le résultat de la traction du cœur de la pièce, la pression de surface; Le rôle dominant de la contrainte tissulaire est le résultat de la pression de traction du cœur de la pièce et de la traction superficielle.

La trempe des tubes en acier SAE 4140 à l'aide d'une production de refroidissement par douche extérieure rotative, la vitesse de refroidissement de la surface extérieure est bien supérieure à celle de la surface intérieure, le métal extérieur du tube en acier est entièrement trempé, tandis que le métal intérieur n'est pas entièrement trempé pour produire une partie de l'organisation ferrite et bainite, le métal intérieur en raison du métal intérieur ne peut pas être entièrement converti en organisation martensitique, le métal intérieur du tube en acier est inévitablement soumis à la contrainte de traction générée par l'expansion de la paroi extérieure de la martensite, et en même temps, en raison des différents types d'organisation, son volume spécifique est différent entre le métal intérieur et extérieur Dans le même temps, en raison des différents types d'organisation, le volume particulier des couches intérieure et extérieure du métal est différent, et le taux de retrait n'est pas le même pendant le refroidissement, une contrainte de traction sera également générée à l'interface des deux types d'organisation, et la distribution de la contrainte est dominée par les contraintes thermiques, et la contrainte de traction générée à l'interface des deux types d'organisation à l'intérieur du tube est la plus grande, ce qui entraîne l'anneau fissures de trempe se produisant dans la zone de l'épaisseur de paroi du tube proche de la surface intérieure (21 à 24 mm de la surface extérieure) ; en outre, l'extrémité du tube en acier est une partie géométriquement sensible de l'ensemble du tube, susceptible de générer des contraintes. De plus, l'extrémité du tube est une partie géométriquement sensible de l'ensemble du tube, qui est sujette à la concentration de contraintes. Cette fissure annulaire se produit généralement uniquement à l'extrémité du tube, et de telles fissures n'ont pas été trouvées dans le corps du tube.

En résumé, les fissures annulaires des tubes en acier trempé à paroi épaisse SAE 4140 sont causées par un refroidissement inégal des parois intérieures et extérieures ; la vitesse de refroidissement de la paroi extérieure est beaucoup plus élevée que celle de la paroi intérieure ; la production de tubes en acier à paroi épaisse SAE 4140 pour changer la méthode de refroidissement existante, ne peut pas être utilisée uniquement en dehors du processus de refroidissement, la nécessité de renforcer le refroidissement de la paroi intérieure du tube en acier, d'améliorer l'uniformité de la vitesse de refroidissement des parois intérieures et extérieures du tube en acier à paroi épaisse pour réduire la concentration de contrainte, éliminant les fissures annulaires. Fissures annulaires.

3.3 Mesures d’amélioration

Pour éviter les fissures de trempe, dans la conception du processus de trempe, toutes les conditions qui contribuent au développement des contraintes de traction de trempe sont des facteurs de formation de fissures, y compris la température de chauffage, le processus de refroidissement et la température de décharge. Les mesures de processus améliorées proposées comprennent : une température de trempe de 830 à 850 ℃ ; l'utilisation d'une buse interne adaptée à l'axe central du tube, le contrôle du débit de pulvérisation interne approprié, l'amélioration de la vitesse de refroidissement du trou intérieur pour garantir l'uniformité de la vitesse de refroidissement des parois intérieures et extérieures du tube en acier à parois épaisses ; le contrôle de la température post-trempe de 150 à 200 ℃, l'utilisation de la température résiduelle du tube en acier de l'auto-trempe, la réduction des contraintes de trempe dans le tube en acier.

L'utilisation d'une technologie améliorée permet de produire des tubes en acier de ∅158,75 × 34,93 mm, ∅139,7 × 31,75 mm, ∅254 × 38,1 mm, ∅224 × 26 mm, etc., conformément à des dizaines de spécifications de tubes en acier. Après une inspection par ultrasons des défauts, les produits sont qualifiés et ne présentent aucune fissure de trempe annulaire.

4. Conclusion

(1) Selon les caractéristiques macroscopiques et microscopiques des fissures des tuyaux, les fissures annulaires aux extrémités des tuyaux en acier SAE 4140 appartiennent à la défaillance par fissuration causée par la contrainte de trempe, qui se produit généralement aux extrémités des tuyaux.

(2) Les fissures annulaires des tubes en acier trempé à paroi épaisse SAE 4140 sont causées par un refroidissement inégal des parois intérieures et extérieures. Le taux de refroidissement de la paroi extérieure est beaucoup plus élevé que celui de la paroi intérieure. Pour améliorer l'uniformité du taux de refroidissement des parois intérieures et extérieures du tube en acier à paroi épaisse, la production de tubes en acier à paroi épaisse SAE 4140 doit renforcer le refroidissement de la paroi intérieure.