Analisi delle cause delle crepe ad anello nei tubi in acciaio senza saldatura SAE 4140 temprati

Il motivo della crepa ad anello all'estremità del tubo in acciaio senza saldatura SAE 4140 è stato studiato tramite esame della composizione chimica, test di durezza, osservazione metallografica, microscopio elettronico a scansione e analisi dello spettro energetico. I risultati mostrano che la crepa ad anello del tubo in acciaio senza saldatura SAE 4140 è una crepa da tempra, che si verifica generalmente all'estremità del tubo. Il motivo della crepa da tempra è la diversa velocità di raffreddamento tra le pareti interna ed esterna, e la velocità di raffreddamento della parete esterna è molto più alta di quella della parete interna, il che determina un guasto da cricca causato dalla concentrazione di stress vicino alla posizione della parete interna. La crepa ad anello può essere eliminata aumentando la velocità di raffreddamento della parete interna del tubo in acciaio durante la tempra, migliorando l'uniformità della velocità di raffreddamento tra la parete interna ed esterna e controllando la temperatura dopo la tempra in modo che sia compresa tra 150 e 200 ℃ per ridurre lo stress da tempra mediante auto-tempra.

SAE 4140 è un acciaio strutturale CrMo debolmente legato, è il grado standard americano ASTM A519, nello standard nazionale 42CrMo basato sull'aumento del contenuto di Mn; pertanto, la temprabilità SAE 4140 è stata ulteriormente migliorata. Tubo in acciaio senza saldatura SAE 4140, invece di forgiature solide, la produzione di billette laminate di vari tipi di alberi cavi, cilindri, manicotti e altre parti può migliorare significativamente l'efficienza produttiva e risparmiare acciaio; il tubo in acciaio SAE 4140 è ampiamente utilizzato negli utensili per la perforazione a vite per l'estrazione di petrolio e gas e in altre attrezzature di perforazione. Il trattamento di tempra del tubo in acciaio senza saldatura SAE 4140 può soddisfare i requisiti di diverse resistenze dell'acciaio e corrispondenza della tenacità ottimizzando il processo di trattamento termico. Tuttavia, si è spesso riscontrato che influisce sui difetti di consegna del prodotto nel processo di produzione. Questo documento si concentra principalmente sul tubo in acciaio SAE 4140 nel processo di tempra al centro dello spessore della parete dell'estremità del tubo, produce un'analisi dei difetti di fessurazione a forma di anello e propone misure di miglioramento.

1. Materiali e metodi di prova

Un'azienda ha prodotto specifiche per tubi in acciaio senza saldatura di grado SAE 4140 ∅ 139,7 × 31,75 mm, il processo di produzione per il riscaldamento della billetta → foratura → laminazione → dimensionamento → rinvenimento (tempo di ammollo a 850 ℃ di 70 min di tempra + rotazione del tubo all'esterno del raffreddamento a doccia d'acqua + tempo di ammollo a 735 ℃ di 2 h di rinvenimento) → Rilevamento e ispezione dei difetti. Dopo il trattamento di rinvenimento, l'ispezione per il rilevamento dei difetti ha rivelato la presenza di una crepa anulare al centro dello spessore della parete all'estremità del tubo, come mostrato in Fig. 1; la crepa anulare è apparsa a circa 21~24 mm di distanza dall'esterno, ha circondato la circonferenza del tubo ed era parzialmente discontinua, mentre non è stato riscontrato alcun difetto del genere nel corpo del tubo.

Prelevare il lotto di campioni di tempra di tubi in acciaio per l'analisi di tempra e l'osservazione dell'organizzazione di tempra e l'analisi spettrale della composizione del tubo in acciaio, allo stesso tempo, nelle crepe del tubo in acciaio temprato per prelevare campioni ad alta potenza per osservare la micromorfologia della crepa, il livello granulometrico e nel microscopio elettronico a scansione con uno spettrometro per le crepe nella composizione interna dell'analisi della microarea.

2. Risultati del test

2.1 Composizione chimica

Nella tabella 1 sono riportati i risultati dell'analisi spettrale della composizione chimica; la composizione degli elementi è conforme ai requisiti della norma ASTM A519.

Tabella 1 Risultati dell'analisi della composizione chimica (frazione di massa, %)

Elemento	C	Sì	Mn	P	S	Cr	Mo	Cu	Ni
Contenuto	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 Prova di temprabilità del tubo

Sui campioni temprati del test di durezza di tempra dello spessore totale della parete, i risultati della durezza dello spessore totale della parete, come mostrato nella Figura 2, possono essere visti nella Figura 2, a 21 ~ 24 mm dall'esterno della durezza di tempra ha iniziato a scendere in modo significativo, e dall'esterno dei 21 ~ 24 mm è la tempra ad alta temperatura del tubo trovata nella regione della crepa ad anello, l'area sotto e sopra lo spessore della parete della durezza della differenza estrema tra la posizione dello spessore della parete della regione ha raggiunto 5 (HRC) o giù di lì. La differenza di durezza tra gli spessori di parete inferiore e superiore di questa area è di circa 5 (HRC). L'organizzazione metallografica nello stato temprato è mostrata nella Figura 3. Dall'organizzazione metallografica nella Figura 3; si può osservare che l'organizzazione nella regione esterna del tubo è una piccola quantità di ferrite + martensite, mentre l'organizzazione vicino alla superficie interna non è temprata, con una piccola quantità di ferrite e bainite, che porta alla bassa durezza di tempra dalla superficie esterna del tubo alla superficie interna del tubo a una distanza di 21 mm. L'elevato grado di consistenza delle crepe ad anello nella parete del tubo e la posizione di estrema differenza nella durezza di tempra suggeriscono che è probabile che le crepe ad anello vengano prodotte nel processo di tempra. L'elevata consistenza tra la posizione delle crepe ad anello e la durezza di tempra inferiore indica che le crepe ad anello potrebbero essere state prodotte durante il processo di tempra.

2.3 I risultati metallografici del tubo d'acciaio sono mostrati rispettivamente nella Figura 4 e nella Figura 5.

L'organizzazione della matrice del tubo di acciaio è austenite temprata + una piccola quantità di ferrite + una piccola quantità di bainite, con una granulometria di 8, che è un'organizzazione temprata media; le crepe si estendono lungo la direzione longitudinale, che appartiene alla fessurazione cristallina, e i due lati delle crepe hanno le caratteristiche tipiche di incastro; c'è il fenomeno della decarburazione su entrambi i lati, e uno strato di ossido grigio ad alta temperatura è osservabile sulla superficie delle crepe. C'è decarburazione su entrambi i lati, e uno strato di ossido grigio ad alta temperatura può essere osservato sulla superficie della crepa, e non si possono vedere inclusioni non metalliche nelle vicinanze della crepa.

2.4 Risultati dell'analisi della morfologia delle fratture e dello spettro energetico

Dopo l'apertura della frattura, la micromorfologia della frattura viene osservata al microscopio elettronico a scansione, come mostrato in Fig. 6, che mostra che la frattura è stata sottoposta ad alte temperature e che si è verificata un'ossidazione ad alta temperatura sulla superficie. La frattura è principalmente lungo la frattura del cristallo, con una dimensione del grano che varia da 20 a 30 μm, e non si trovano grani grossolani e difetti organizzativi anomali; l'analisi dello spettro energetico mostra che la superficie della frattura è composta principalmente da ferro e dai suoi ossidi, e non si vedono elementi estranei anomali. L'analisi spettrale mostra che la superficie della frattura è principalmente ferro e dai suoi ossidi, senza elementi estranei anomali.

3 Analisi e discussione

3.1 Analisi dei difetti di fessurazione

Dal punto di vista della micromorfologia della crepa, l'apertura della crepa è dritta; la coda è curva e affilata; il percorso di estensione della crepa mostra le caratteristiche della crepa lungo il cristallo e i due lati della crepa hanno caratteristiche di accoppiamento tipiche, che sono le caratteristiche usuali delle crepe da tempra. Tuttavia, l'esame metallografico ha rilevato che ci sono fenomeni di decarburazione su entrambi i lati della crepa, il che non è in linea con le caratteristiche delle tradizionali crepe da tempra, tenendo conto del fatto che la temperatura di rinvenimento del tubo di acciaio è di 735 ℃ e Ac1 è di 738 ℃ in SAE 4140, il che non è in linea con le caratteristiche convenzionali delle crepe da tempra. Considerando che la temperatura di rinvenimento utilizzata per il tubo è di 735 °C e l'Ac1 di SAE 4140 è di 738 °C, che sono molto vicine tra loro, si presume che la decarburazione su entrambi i lati della crepa sia correlata al rinvenimento ad alta temperatura durante il rinvenimento (735 °C) e non sia una crepa già esistente prima del trattamento termico del tubo.

3.2 Cause di screpolature

Le cause delle cricche da tempra sono generalmente correlate alla temperatura di riscaldamento di tempra, alla velocità di raffreddamento di tempra, ai difetti metallurgici e alle sollecitazioni di tempra. Dai risultati dell'analisi composizionale, la composizione chimica del tubo soddisfa i requisiti del grado di acciaio SAE 4140 nello standard ASTM A519 e non sono stati trovati elementi eccedenti; non sono state trovate inclusioni non metalliche vicino alle cricche e l'analisi dello spettro energetico alla frattura della cricca ha mostrato che i prodotti di ossidazione grigia nelle cricche erano Fe e i suoi ossidi e non sono stati osservati elementi estranei anomali, quindi si può escludere che i difetti metallurgici abbiano causato le cricche anulari; il grado di granulometria del tubo era di grado 8 e il grado di granulometria era di grado 7 e il grado di granulometria era di grado 8 e il grado di granulometria era di grado 8. Il livello di granulometria del tubo è 8; il grano è raffinato e non grossolano, il che indica che la cricca da tempra non ha nulla a che fare con la temperatura di riscaldamento di tempra.

La formazione di cricche di tempra è strettamente correlata alle sollecitazioni di tempra, divise in sollecitazioni termiche e organizzative. La sollecitazione termica è dovuta al processo di raffreddamento del tubo di acciaio; lo strato superficiale e il cuore della velocità di raffreddamento del tubo di acciaio non sono coerenti, con conseguente contrazione irregolare del materiale e sollecitazioni interne; il risultato è che lo strato superficiale del tubo di acciaio è soggetto a sollecitazioni compressive e il cuore a sollecitazioni di trazione; le sollecitazioni tissutali sono la tempra dell'organizzazione del tubo di acciaio alla trasformazione della martensite, insieme all'espansione del volume di incoerenza nella generazione delle sollecitazioni interne, l'organizzazione delle sollecitazioni generate dal risultato è lo strato superficiale delle sollecitazioni di trazione, il centro delle sollecitazioni di trazione. Questi due tipi di sollecitazioni nel tubo di acciaio esistono nella stessa parte, ma il ruolo della direzione è opposto; l'effetto combinato del risultato è che uno dei due fattori dominanti delle sollecitazioni, il ruolo dominante delle sollecitazioni termiche è il risultato della trazione del cuore del pezzo, pressione superficiale; Il ruolo dominante dello stress tissutale è il risultato della pressione di trazione del cuore del pezzo in lavorazione e della trazione superficiale.

Tempra di tubi in acciaio SAE 4140 mediante produzione di raffreddamento a doccia esterna rotante, la velocità di raffreddamento della superficie esterna è molto maggiore della superficie interna, il metallo esterno del tubo in acciaio è completamente temprato, mentre il metallo interno non è completamente temprato per produrre parte dell'organizzazione di ferrite e bainite, il metallo interno a causa del metallo interno non può essere completamente convertito in organizzazione martensitica, il metallo interno del tubo in acciaio è inevitabilmente soggetto allo stress di trazione generato dall'espansione della parete esterna della martensite e, allo stesso tempo, a causa dei diversi tipi di organizzazione, il suo volume specifico è diverso tra il metallo interno ed esterno Allo stesso tempo, a causa dei vari tipi di organizzazione, il volume particolare degli strati interno ed esterno del metallo è diverso e la velocità di restringimento non è la stessa durante il raffreddamento, lo stress di trazione verrà generato anche all'interfaccia dei due tipi di organizzazione e la distribuzione dello stress è dominata dagli stress termici e lo stress di trazione generato all'interfaccia dei due tipi di organizzazione all'interno del tubo è la più grande, che determina le crepe di tempra ad anello che si verificano nell'area dello spessore della parete del tubo vicino alla superficie interna (21~24 mm di distanza dalla superficie esterna); inoltre, l'estremità del tubo in acciaio è una parte sensibile alla geometria dell'intero tubo, incline a generare stress. Inoltre, l'estremità del tubo è una parte geometricamente sensibile dell'intero tubo, che è incline alla concentrazione di stress. Questa crepa ad anello di solito si verifica solo all'estremità del tubo e tali crepe non sono state trovate nel corpo del tubo.

In sintesi, le crepe ad anello del tubo di acciaio a parete spessa SAE 4140 temprato sono causate dal raffreddamento non uniforme delle pareti interna ed esterna; la velocità di raffreddamento della parete esterna è molto più alta di quella della parete interna; la produzione di tubi di acciaio a parete spessa SAE 4140 per modificare il metodo di raffreddamento esistente, non può essere utilizzata solo all'esterno del processo di raffreddamento, la necessità di rafforzare il raffreddamento della parete interna del tubo di acciaio, per migliorare l'uniformità della velocità di raffreddamento delle pareti interna ed esterna del tubo di acciaio a parete spessa per ridurre la concentrazione di stress, eliminando le crepe ad anello. Crepe ad anello.

3.3 Misure di miglioramento

Per evitare crepe da tempra, nella progettazione del processo di tempra, tutte le condizioni che contribuiscono allo sviluppo di sollecitazioni di trazione da tempra sono fattori per la formazione di crepe, tra cui la temperatura di riscaldamento, il processo di raffreddamento e la temperatura di scarico. Le misure di processo migliorate proposte includono: temperatura di tempra di 830-850 ℃; l'uso di un ugello interno abbinato alla linea centrale del tubo, controllo del flusso di spruzzo interno appropriato, miglioramento della velocità di raffreddamento del foro interno per garantire che la velocità di raffreddamento delle pareti interne ed esterne del tubo di acciaio a parete spessa uniformi la velocità di raffreddamento; controllo della temperatura di post-tempra di 150-200 ℃, l'uso della temperatura residua del tubo di acciaio dell'auto-tempra, riducono le sollecitazioni di tempra nel tubo di acciaio.

L'uso di una tecnologia migliorata produce ∅158,75 × 34,93 mm, ∅139,7 × 31,75 mm, ∅254 × 38,1 mm, ∅224 × 26 mm e così via, secondo decine di specifiche di tubi in acciaio. Dopo l'ispezione dei difetti tramite ultrasuoni, i prodotti sono qualificati, senza crepe da tempra ad anello.

4. Conclusion

(1) Secondo le caratteristiche macroscopiche e microscopiche delle crepe nei tubi, le crepe anulari alle estremità dei tubi in acciaio SAE 4140 appartengono alla rottura per fessurazione causata dallo stress da tempra, che solitamente si verifica alle estremità dei tubi.

(2) Le crepe ad anello nei tubi in acciaio a parete spessa SAE 4140 temprati sono causate dal raffreddamento non uniforme delle pareti interna ed esterna. La velocità di raffreddamento della parete esterna è molto più elevata di quella della parete interna. Per migliorare l'uniformità della velocità di raffreddamento delle pareti interna ed esterna del tubo in acciaio a parete spessa, la produzione del tubo in acciaio a parete spessa SAE 4140 deve rafforzare il raffreddamento della parete interna.