Анализ причин возникновения кольцевых трещин в закаленных бесшовных стальных трубах SAE 4140

Причина кольцевой трещины на конце бесшовной стальной трубы SAE 4140 была изучена с помощью химического состава, испытания на твердость, металлографического наблюдения, сканирующего электронного микроскопа и анализа энергетического спектра. Результаты показывают, что кольцевая трещина бесшовной стальной трубы SAE 4140 является закалочной трещиной, обычно возникающей на конце трубы. Причиной закалочной трещины является разная скорость охлаждения между внутренней и внешней стенками, а скорость охлаждения внешней стенки намного выше, чем у внутренней стенки, что приводит к разрушению трещины, вызванному концентрацией напряжений вблизи положения внутренней стенки. Кольцевую трещину можно устранить, увеличив скорость охлаждения внутренней стенки стальной трубы во время закалки, улучшив равномерность скорости охлаждения между внутренней и внешней стенкой и контролируя температуру после закалки в пределах 150 ~ 200 ℃, чтобы уменьшить напряжение закалки путем самоотпуска.

SAE 4140 - это низколегированная конструкционная сталь CrMo, американская стандартная марка ASTM A519, в национальном стандарте 42CrMo на основе увеличения содержания Mn; поэтому прокаливаемость SAE 4140 была дополнительно улучшена. Бесшовные стальные трубы SAE 4140, вместо цельных поковок, прокатка заготовок различных типов полых валов, цилиндров, втулок и других деталей может значительно повысить эффективность производства и сэкономить сталь; стальные трубы SAE 4140 широко используются в нефтяных и газовых месторождениях, в шнековых буровых инструментах и другом буровом оборудовании. Закалка бесшовных стальных труб SAE 4140 может соответствовать требованиям соответствия различной прочности и вязкости стали за счет оптимизации процесса термообработки. Тем не менее, часто обнаруживается, что это влияет на дефекты поставки продукции в процессе производства. В данной статье основное внимание уделяется трубе из стали SAE 4140 в процессе закалки в середине толщины стенки конца трубы, проводится анализ дефекта в виде кольцевой трещины и предлагаются меры по улучшению.

1. Материалы и методы испытаний

Компания подготовила спецификации для бесшовной стальной трубы ∅ 139,7 × 31,75 мм из стали марки SAE 4140, производственный процесс для нагрева заготовки → прокалывание → прокатка → калибровка → отпуск (время выдержки 850 ℃ 70 мин закалка + вращение трубы вне водяного душа + время выдержки 735 ℃ 2 ч отпуск) → Дефектоскопия и осмотр. После обработки отпуском дефектоскопия показала, что в середине толщины стенки на конце трубы была кольцевая трещина, как показано на рис. 1; кольцевая трещина появилась на расстоянии около 21~24 мм от внешней стороны, огибала окружность трубы и была частично прерывистой, в то время как в теле трубы такой дефект не был обнаружен.

Взять партию образцов закалки стальных труб для анализа закалки и наблюдения за организацией закалки, а также спектрального анализа состава стальной трубы, в то же время в трещинах закаленной стальной трубы взять образцы высокой мощности для наблюдения за микроморфологией трещин, уровнем размера зерна, а в сканирующем электронном микроскопе со спектрометром - для анализа внутреннего состава микрообластей трещин.

2. Результаты теста

2.1 Химический состав

В таблице 1 приведены результаты спектрального анализа химического состава, состав элементов соответствует требованиям стандарта ASTM A519.

Таблица 1 Результаты анализа химического состава (массовая доля, %)

Элемент	С	Си	Мин.	п	С	Кр	Мо	Cu	Ни
Содержание	0.39	0.20	0.82	0.01	0.005	0.94	0.18	0.05	0.02
Требование 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 Испытание труб на прокаливаемость

На закаленных образцах испытания на твердость при закалке всей толщины стенки результаты твердости при закалке всей толщины стенки, как показано на рисунке 2, можно увидеть на рисунке 2, в 21 ~ 24 мм от внешней стороны закалки твердость начала значительно падать, и с внешней стороны 21 ~ 24 мм находится высокотемпературный отпуск трубы, обнаруженный в области кольцевой трещины, область ниже и выше толщины стенки твердости крайней разницы между положением толщины стенки области достигла 5 (HRC) или около того. Разница твердости между нижней и верхней толщиной стенки этой области составляет около 5 (HRC). Металлографическая организация в закаленном состоянии показана на рис. 3. Из металлографической организации на рис. 3; можно увидеть, что организация во внешней области трубы представляет собой небольшое количество феррита + мартенсита, в то время как организация вблизи внутренней поверхности не закалена, с небольшим количеством феррита и бейнита, что приводит к низкой закалочной твердости от внешней поверхности трубы до внутренней поверхности трубы на расстоянии 21 мм. Высокая степень последовательности кольцевых трещин в стенке трубы и положение крайней разницы в закалочной твердости предполагают, что кольцевые трещины, вероятно, образуются в процессе закалки. Высокая последовательность между расположением кольцевых трещин и нижней закалочной твердостью указывает на то, что кольцевые трещины могли образоваться в процессе закалки.

2.3 Результаты металлографического исследования стальной трубы представлены на рис. 4 и рис. 5 соответственно.

Матричная организация стальной трубы - отпущенный аустенит + небольшое количество феррита + небольшое количество бейнита, с размером зерна 8, что является средней отпущенной организацией; трещины простираются вдоль продольного направления, которое принадлежит вдоль кристаллического растрескивания, и обе стороны трещин имеют типичные характеристики сцепления; есть явление обезуглероживания с обеих сторон, и высокотемпературный серый оксидный слой наблюдается на поверхности трещин. Есть обезуглероживание с обеих сторон, и высокотемпературный серый оксидный слой может наблюдаться на поверхности трещины, и неметаллические включения не видны вблизи трещины.

2.4 Результаты анализа морфологии трещин и энергетического спектра

После вскрытия трещины микроморфология трещины наблюдается под сканирующим электронным микроскопом, как показано на рис. 6, который показывает, что трещина подвергалась воздействию высоких температур, и на поверхности произошло высокотемпературное окисление. Трещина в основном идет вдоль кристаллического излома, с размером зерна от 20 до 30 мкм, и не обнаружено крупных зерен и аномальных организационных дефектов; анализ энергетического спектра показывает, что поверхность трещины в основном состоит из железа и его оксидов, и не обнаружено аномальных посторонних элементов. Спектральный анализ показывает, что поверхность трещины в основном состоит из железа и его оксидов, без аномальных посторонних элементов.

3 Анализ и обсуждение

3.1 Анализ дефектов трещин

С точки зрения микроморфологии трещины, раскрытие трещины прямое; хвост изогнутый и острый; путь распространения трещины показывает характеристики трещины вдоль кристалла, а две стороны трещины имеют типичные сетчатые характеристики, которые являются обычными характеристиками закалочных трещин. Тем не менее, металлографическое исследование показало, что по обе стороны трещины наблюдаются явления обезуглероживания, что не соответствует характеристикам традиционных закалочных трещин, принимая во внимание тот факт, что температура отпуска стальной трубы составляет 735 ℃, а Ac1 составляет 738 ℃ в SAE 4140, что не соответствует обычным характеристикам закалочных трещин. Учитывая, что температура отпуска трубы составляет 735 °C, а Ac1 SAE 4140 — 738 °C, что очень близко друг к другу, можно предположить, что обезуглероживание по обе стороны трещины связано с высокотемпературным отпуском во время отпуска (735 °C) и не является трещиной, которая уже существовала до термической обработки трубы.

3.2 Причины появления трещин

Причины закалочных трещин, как правило, связаны с температурой нагрева при закалке, скоростью охлаждения при закалке, металлургическими дефектами и закалочными напряжениями. По результатам композиционного анализа химический состав трубы соответствует требованиям марки стали SAE 4140 по стандарту ASTM A519, и не было обнаружено никаких превышающих норму элементов; неметаллических включений вблизи трещин не обнаружено, а анализ энергетического спектра в месте излома трещины показал, что серые продукты окисления в трещинах представляют собой Fe и его оксиды, и не было обнаружено никаких аномальных посторонних элементов, поэтому можно исключить, что металлургические дефекты стали причиной кольцевых трещин; класс зернистости трубы был класс 8, а класс зернистости был класс 7, а размер зернистости был класс 8, а размер зернистости был класс 8. Уровень размера зернистости трубы составляет 8; зерно мелкое, а не крупное, что свидетельствует о том, что закалочная трещина не имеет никакого отношения к температуре закалочного нагрева.

Образование закалочных трещин тесно связано с закалочными напряжениями, разделенными на термические и организационные напряжения. Термическое напряжение возникает из-за процесса охлаждения стальной трубы; поверхностный слой и сердцевина стальной трубы скорость охлаждения не согласованы, что приводит к неравномерному сжатию материала и внутренним напряжениям; в результате поверхностный слой стальной трубы подвергается сжимающим напряжениям, а сердцевина растягивающим напряжениям; тканевые напряжения - это закалка организации стальной трубы до мартенситного превращения, наряду с расширением объема несоответствия в генерации внутренних напряжений, организация напряжений, создаваемых результатом, - это поверхностный слой растягивающих напряжений, центр растягивающих напряжений. Эти два вида напряжений в стальной трубе существуют в одной и той же части, но роль направления противоположна; совместный эффект результата заключается в том, что один из двух доминирующих факторов напряжений, доминирующая роль термического напряжения, является результатом растяжения сердца заготовки, поверхностного давления; Доминирующая роль напряжения ткани является результатом растяжения давления на поверхность заготовки.

Закалка стальных труб SAE 4140 с использованием вращающегося внешнего душевого охлаждения, скорость охлаждения внешней поверхности намного больше, чем внутренней поверхности, внешний металл стальной трубы полностью закален, в то время как внутренний металл не полностью закален, чтобы произвести часть ферритной и бейнитной организации, внутренний металл из-за внутреннего металла не может быть полностью преобразован в мартенситную организацию, внутренний металл стальной трубы неизбежно подвергается растягивающему напряжению, создаваемому расширением внешней стенки мартенсита, и в то же время из-за различных типов организации его удельный объем различен между внутренним и внешним металлом. В то же время из-за различных типов организации конкретный объем внутренних и внешних слоев металла различен, и скорость усадки не одинакова во время охлаждения, растягивающее напряжение также будет создаваться на границе двух типов организации, и распределение напряжения определяется термическими напряжениями, а растягивающее напряжение, создаваемое на границе двух типов организации внутри трубы, является наибольший, что приводит к появлению кольцевых закалочных трещин в области толщины стенки трубы, близкой к внутренней поверхности (21~24 мм от внешней поверхности); кроме того, конец стальной трубы является геометрически чувствительной частью всей трубы, склонной к возникновению напряжений. Кроме того, конец трубы является геометрически чувствительной частью всей трубы, склонной к концентрации напряжений. Эта кольцевая трещина обычно возникает только на конце трубы, и такие трещины не были обнаружены в теле трубы.

Подводя итог, можно сказать, что кольцевые трещины в закаленных толстостенных стальных трубах SAE 4140 вызваны неравномерным охлаждением внутренних и внешних стенок; скорость охлаждения внешней стенки намного выше, чем у внутренней стенки; производство толстостенных стальных труб SAE 4140 для изменения существующего метода охлаждения, не может использоваться только внешний процесс охлаждения, необходимо усилить охлаждение внутренней стенки стальной трубы, улучшить равномерность скорости охлаждения внутренних и внешних стенок толстостенной стальной трубы, чтобы уменьшить концентрацию напряжений, исключив кольцевые трещины. Кольцевые трещины.

3.3 Меры по улучшению

Чтобы избежать закалочных трещин, в конструкции процесса закалки все условия, которые способствуют развитию закалочных растягивающих напряжений, являются факторами образования трещин, включая температуру нагрева, процесс охлаждения и температуру нагнетания. Предлагаемые улучшенные технологические меры включают: температуру закалки 830-850 ℃; использование внутреннего сопла, согласованного с центральной линией трубы, контроль соответствующего внутреннего потока распыления, улучшение скорости охлаждения внутреннего отверстия для обеспечения равномерности скорости охлаждения внутренних и внешних стенок толстостенной стальной трубы; контроль температуры после закалки 150-200 ℃, использование остаточной температуры стальной трубы самоотпуска, снижение закалочных напряжений в стальной трубе.

Использование усовершенствованной технологии позволяет производить ∅158,75 × 34,93 мм, ∅139,7 × 31,75 мм, ∅254 × 38,1 мм, ∅224 × 26 мм и т. д. по десяткам спецификаций стальных труб. После ультразвукового дефектоскопа продукция проходит квалификацию, без кольцевых закалочных трещин.

4. Заключение

(1) Согласно макроскопическим и микроскопическим характеристикам трещин труб, кольцевые трещины на концах труб из стали SAE 4140 относятся к трещинам, вызванным закалочным напряжением, которое обычно возникает на концах труб.

(2) Кольцевые трещины закаленной толстостенной стальной трубы SAE 4140 вызваны неравномерным охлаждением внутренних и внешних стенок. Скорость охлаждения внешней стенки намного выше, чем внутренней стенки. Для повышения равномерности скорости охлаждения внутренних и внешних стенок толстостенной стальной трубы при производстве толстостенной стальной трубы SAE 4140 необходимо усилить охлаждение внутренней стенки.