Análise das causas de trincas em forma de anel em tubos de aço sem costura SAE 4140 temperados

O motivo da rachadura em forma de anel na extremidade do tubo de aço sem costura SAE 4140 foi estudado por exame de composição química, teste de dureza, observação metalográfica, microscópio eletrônico de varredura e análise de espectro de energia. Os resultados mostram que a rachadura em forma de anel do tubo de aço sem costura SAE 4140 é uma rachadura de têmpera, geralmente ocorrendo na extremidade do tubo. O motivo da rachadura de têmpera são as diferentes taxas de resfriamento entre as paredes interna e externa, e a taxa de resfriamento da parede externa é muito maior do que a da parede interna, o que resulta em falha de rachadura causada pela concentração de tensão perto da posição da parede interna. A rachadura em forma de anel pode ser eliminada aumentando a taxa de resfriamento da parede interna do tubo de aço durante a têmpera, melhorando a uniformidade da taxa de resfriamento entre a parede interna e externa e controlando a temperatura após a têmpera para estar dentro de 150 ~200 ℃ para reduzir a tensão de têmpera por auto-revenimento.

SAE 4140 é um aço estrutural de baixa liga CrMo, é o grau padrão americano ASTM A519, no padrão nacional 42CrMo com base no aumento do teor de Mn; portanto, a temperabilidade SAE 4140 foi melhorada ainda mais. Tubo de aço sem costura SAE 4140, em vez de forjados sólidos, produção de tarugos de laminação de vários tipos de eixos ocos, cilindros, mangas e outras peças pode melhorar significativamente a eficiência da produção e economizar aço; O tubo de aço SAE 4140 é amplamente utilizado em ferramentas de perfuração de parafuso de mineração de campos de petróleo e gás e outros equipamentos de perfuração. O tratamento de têmpera de tubo de aço sem costura SAE 4140 pode atender aos requisitos de diferentes resistências de aço e correspondência de tenacidade, otimizando o processo de tratamento térmico. Ainda assim, muitas vezes afeta os defeitos de entrega do produto no processo de produção. Este artigo se concentra principalmente no tubo de aço SAE 4140 no processo de têmpera no meio da espessura da parede da extremidade do tubo, produz uma análise de defeito de trinca em forma de anel e propõe medidas de melhoria.

1. Materiais e métodos de teste

Uma empresa produziu especificações para tubos de aço sem costura de grau de aço SAE 4140 de ∅ 139,7 × 31,75 mm, o processo de produção para aquecimento do tarugo → perfuração → laminação → dimensionamento → têmpera (tempo de imersão de 850 ℃ de 70 min de têmpera + rotação do tubo fora do resfriamento do chuveiro de água + tempo de imersão de 735 ℃ de 2 h de têmpera) → Detecção e inspeção de falhas. Após o tratamento de têmpera, a inspeção de detecção de falhas revelou que havia uma rachadura anular no meio da espessura da parede na extremidade do tubo, conforme mostrado na Fig. 1; a rachadura anular apareceu a cerca de 21~24 mm de distância do exterior, circulou a circunferência do tubo e era parcialmente descontínua, enquanto nenhum defeito desse tipo foi encontrado no corpo do tubo.

Pegue o lote de amostras de têmpera de tubos de aço para análise de têmpera e observação da organização da têmpera, e análise espectral da composição do tubo de aço, ao mesmo tempo, nas rachaduras do tubo de aço temperado para coletar amostras de alta potência para observar a micromorfologia da rachadura, nível de tamanho de grão e no microscópio eletrônico de varredura com um espectrômetro para as rachaduras na composição interna da análise de microárea.

2. Resultados do teste

2.1 Composição química

A Tabela 1 mostra os resultados da análise espectral da composição química, e a composição dos elementos está de acordo com os requisitos da norma ASTM A519.

Tabela 1 Resultados da análise da composição química (fração de massa, %)

Elemento	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Cu	Não
Contente	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 Teste de temperabilidade de tubos

Nas amostras temperadas do teste de dureza de têmpera da espessura total da parede, os resultados da dureza da espessura total da parede, conforme mostrado na Figura 2, podem ser vistos na Figura 2, em 21 ~ 24 mm do lado de fora da dureza de têmpera começou a cair significativamente, e do lado de fora dos 21 ~ 24 mm é a têmpera de alta temperatura do tubo encontrada na região da rachadura do anel, a área abaixo e acima da espessura da parede da dureza da diferença extrema entre a posição da espessura da parede da região atingiu 5 (HRC) ou mais. A diferença de dureza entre as espessuras de parede inferior e superior desta área é de cerca de 5 (HRC). A organização metalográfica no estado temperado é mostrada na Fig. 3. Da organização metalográfica na Fig. 3; pode ser visto que a organização na região externa do tubo é uma pequena quantidade de ferrita + martensita, enquanto a organização perto da superfície interna não é temperada, com uma pequena quantidade de ferrita e bainita, o que leva à baixa dureza de têmpera da superfície externa do tubo para a superfície interna do tubo a uma distância de 21 mm. O alto grau de consistência das trincas do anel na parede do tubo e a posição de diferença extrema na dureza de têmpera sugerem que as trincas do anel provavelmente serão produzidas no processo de têmpera. A alta consistência entre a localização das trincas do anel e a dureza de têmpera inferior indica que as trincas do anel podem ter sido produzidas durante o processo de têmpera.

2.3 Os resultados metalográficos do tubo de aço são mostrados na Fig. 4 e Fig. 5, respectivamente.

A organização da matriz do tubo de aço é austenita temperada + uma pequena quantidade de ferrita + uma pequena quantidade de bainita, com um tamanho de grão de 8, que é uma organização temperada média; as rachaduras se estendem ao longo da direção longitudinal, que pertence ao longo da rachadura cristalina, e os dois lados das rachaduras têm as características típicas de engajamento; há o fenômeno de descarbonetação em ambos os lados, e uma camada de óxido cinza de alta temperatura é observável na superfície das rachaduras. Há descarbonetação em ambos os lados, e uma camada de óxido cinza de alta temperatura pode ser observada na superfície da rachadura, e nenhuma inclusão não metálica pode ser vista nas proximidades da rachadura.

2.4 Resultados da análise da morfologia da fratura de trinca e do espectro de energia

Após a fratura ser aberta, a micromorfologia da fratura é observada sob o microscópio eletrônico de varredura, como mostrado na Fig. 6, que mostra que a fratura foi submetida a altas temperaturas e que ocorreu oxidação em alta temperatura na superfície. A fratura ocorre principalmente ao longo da fratura do cristal, com o tamanho do grão variando de 20 a 30 μm, e nenhum grão grosso e defeitos organizacionais anormais são encontrados; a análise do espectro de energia mostra que a superfície da fratura é composta principalmente de ferro e seus óxidos, e nenhum elemento estranho anormal é visto. A análise espectral mostra que a superfície da fratura é principalmente ferro e seus óxidos, sem nenhum elemento estranho anormal.

3 Análise e Discussão

3.1 Análise de defeitos de trinca

Do ponto de vista da micromorfologia da trinca, a abertura da trinca é reta; a cauda é curva e afiada; o caminho de extensão da trinca mostra as características da trinca ao longo do cristal, e os dois lados da trinca têm características típicas de malha, que são as características usuais de trincas de têmpera. Ainda assim, o exame metalográfico descobriu que há fenômenos de descarbonetação em ambos os lados da trinca, o que não está de acordo com as características das trincas de têmpera tradicionais, levando em consideração o fato de que a temperatura de têmpera do tubo de aço é de 735 ℃, e Ac1 é de 738 ℃ em SAE 4140, o que não está de acordo com as características convencionais de trincas de têmpera. Considerando que a temperatura de revenimento usada para o tubo é de 735 °C e o Ac1 da SAE 4140 é de 738 °C, que são muito próximos entre si, assume-se que a descarbonetação em ambos os lados da trinca está relacionada ao revenimento em alta temperatura durante o revenimento (735 °C) e não é uma trinca que já existia antes do tratamento térmico do tubo.

3.2 Causas de rachaduras

As causas das trincas de têmpera geralmente estão relacionadas à temperatura de aquecimento de têmpera, taxa de resfriamento de têmpera, defeitos metalúrgicos e tensões de têmpera. A partir dos resultados da análise composicional, a composição química do tubo atende aos requisitos do grau de aço SAE 4140 no padrão ASTM A519, e nenhum elemento excedente foi encontrado; nenhuma inclusão não metálica foi encontrada perto das trincas, e a análise do espectro de energia na fratura da trinca mostrou que os produtos de oxidação cinza nas trincas eram Fe e seus óxidos, e nenhum elemento estranho anormal foi visto, então pode ser descartado que defeitos metalúrgicos causaram as trincas anulares; o grau de tamanho de grão do tubo era Grau 8, e o grau de tamanho de grão era Grau 7, e o tamanho de grão era Grau 8, e o tamanho de grão era Grau 8. O nível de tamanho de grão do tubo é 8; o grão é refinado e não grosso, o que indica que a trinca de têmpera não tem nada a ver com a temperatura de aquecimento de têmpera.

A formação de trincas de têmpera está intimamente relacionada às tensões de têmpera, divididas em tensões térmicas e organizacionais. A tensão térmica é devida ao processo de resfriamento do tubo de aço; a camada superficial e o coração da taxa de resfriamento do tubo de aço não são consistentes, resultando em contração irregular do material e tensões internas; o resultado é que a camada superficial do tubo de aço é submetida a tensões compressivas e o coração das tensões de tração; as tensões do tecido são a têmpera da organização do tubo de aço para a transformação da martensita, juntamente com a expansão do volume de inconsistência na geração das tensões internas, a organização das tensões geradas pelo resultado é a camada superficial de tensões de tração, o centro das tensões de tração. Esses dois tipos de tensões no tubo de aço existem na mesma parte, mas o papel da direção é o oposto; o efeito combinado do resultado é que um dos dois fatores dominantes de tensões, o papel dominante da tensão térmica é o resultado da tração do coração da peça de trabalho, pressão da superfície; o papel dominante do estresse do tecido é o resultado da pressão de tração do coração da peça de trabalho na superfície de tração.

Têmpera de tubos de aço SAE 4140 usando produção de resfriamento de chuveiro externo rotativo, a taxa de resfriamento da superfície externa é muito maior do que a superfície interna, o metal externo do tubo de aço todo temperado, enquanto o metal interno não é totalmente temperado para produzir parte da organização de ferrita e bainita, o metal interno devido ao metal interno não pode ser totalmente convertido em organização martensítica, o metal interno do tubo de aço é inevitavelmente submetido à tensão de tração gerada pela expansão da parede externa da martensita e, ao mesmo tempo, devido aos diferentes tipos de organização, seu volume específico é diferente entre o metal interno e externo Ao mesmo tempo, devido aos vários tipos de organização, o volume particular das camadas interna e externa do metal é diferente, e a taxa de encolhimento não é a mesma durante o resfriamento, a tensão de tração também será gerada na interface dos dois tipos de organização, e a distribuição da tensão é dominada pelas tensões térmicas, e a tensão de tração gerada na interface dos dois tipos de organização dentro do tubo é a maior, resultando no anel rachaduras de têmpera que ocorrem na área da espessura da parede do tubo perto da superfície interna (21~24 mm de distância da superfície externa); além disso, a extremidade do tubo de aço é uma parte sensível à geometria de todo o tubo, propensa a gerar estresse. Além disso, a extremidade do tubo é uma parte sensível à geometria de todo o tubo, propensa à concentração de estresse. Essa rachadura em anel geralmente ocorre apenas na extremidade do tubo, e tais rachaduras não foram encontradas no corpo do tubo.

Em resumo, as rachaduras em forma de anel do tubo de aço de parede espessa SAE 4140 temperado são causadas pelo resfriamento irregular das paredes interna e externa; a taxa de resfriamento da parede externa é muito maior do que a da parede interna; a produção do tubo de aço de parede espessa SAE 4140 para alterar o método de resfriamento existente, não pode ser usado apenas fora do processo de resfriamento, a necessidade de fortalecer o resfriamento da parede interna do tubo de aço, para melhorar a uniformidade da taxa de resfriamento das paredes interna e externa do tubo de aço de parede espessa para reduzir a concentração de tensão, eliminando as rachaduras do anel. Rachaduras do anel.

3.3 Medidas de melhoria

Para evitar rachaduras de têmpera, no projeto do processo de têmpera, todas as condições que contribuem para o desenvolvimento de tensões de tração de têmpera são fatores para a formação de rachaduras, incluindo a temperatura de aquecimento, o processo de resfriamento e a temperatura de descarga. As medidas de processo aprimoradas propostas incluem: temperatura de têmpera de 830-850 ℃; o uso de um bico interno combinado com a linha central do tubo, controle do fluxo de pulverização interno apropriado, melhorando a taxa de resfriamento do furo interno para garantir que a taxa de resfriamento das paredes interna e externa da uniformidade da taxa de resfriamento do tubo de aço de parede espessa; controle da temperatura pós-têmpera de 150-200 ℃, o uso da temperatura residual do tubo de aço do auto-temperamento, reduz as tensões de têmpera no tubo de aço.

O uso de tecnologia aprimorada produz ∅158,75 × 34,93 mm, ∅139,7 × 31,75 mm, ∅254 × 38,1 mm, ∅224 × 26 mm e assim por diante, de acordo com dezenas de especificações de tubos de aço. Após a inspeção ultrassônica de falhas, os produtos são qualificados, sem rachaduras de têmpera de anel.

4. Conclusão

(1) De acordo com as características macroscópicas e microscópicas das fissuras nos tubos, as fissuras anulares nas extremidades dos tubos de aço SAE 4140 pertencem à falha de fissuração causada pelo estresse de têmpera, que geralmente ocorre nas extremidades dos tubos.

(2) As rachaduras em forma de anel do tubo de aço SAE 4140 de parede espessa temperada são causadas pelo resfriamento irregular das paredes interna e externa. A taxa de resfriamento da parede externa é muito maior do que a da parede interna. Para melhorar a uniformidade da taxa de resfriamento das paredes interna e externa do tubo de aço de parede espessa, a produção do tubo de aço SAE 4140 de parede espessa precisa fortalecer o resfriamento da parede interna.