การวิเคราะห์สาเหตุของรอยแตกร้าวรูปวงแหวนในท่อเหล็กไร้รอยต่อ SAE 4140 ที่ผ่านการชุบแข็ง

สาเหตุของรอยแตกร้าวรูปวงแหวนที่ปลายท่อของท่อเหล็กไร้รอยต่อ SAE 4140 ได้รับการศึกษาโดยการตรวจสอบองค์ประกอบทางเคมี การทดสอบความแข็ง การสังเกตโลหะวิทยา กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน และการวิเคราะห์สเปกตรัมพลังงาน ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่ารอยแตกร้าวรูปวงแหวนของท่อเหล็กไร้รอยต่อ SAE 4140 เป็นรอยแตกร้าวจากการดับ ซึ่งมักเกิดขึ้นที่ปลายท่อ สาเหตุของรอยแตกร้าวจากการดับคืออัตราการระบายความร้อนที่แตกต่างกันระหว่างผนังด้านในและด้านนอก และอัตราการระบายความร้อนของผนังด้านนอกสูงกว่าของผนังด้านในมาก ซึ่งส่งผลให้เกิดรอยแตกร้าวล้มเหลวอันเนื่องมาจากความเข้มข้นของความเค้นใกล้ตำแหน่งผนังด้านใน รอยแตกร้าวรูปวงแหวนสามารถกำจัดได้โดยการเพิ่มอัตราการระบายความร้อนของผนังด้านในของท่อเหล็กระหว่างการดับ ปรับปรุงความสม่ำเสมอของอัตราการระบายความร้อนระหว่างผนังด้านในและด้านนอก และควบคุมอุณหภูมิหลังการดับให้อยู่ภายใน 150 ~200 ℃ เพื่อลดความเค้นในการดับโดยการอบชุบด้วยตนเอง

SAE 4140 เป็นเหล็กโครงสร้างโลหะผสม CrMo ต่ำ เป็นเกรดมาตรฐาน ASTM A519 ของสหรัฐอเมริกา ในมาตรฐานแห่งชาติ 42CrMo โดยอิงจากการเพิ่มขึ้นของปริมาณ Mn ดังนั้น ความสามารถในการชุบแข็งของ SAE 4140 จึงได้รับการปรับปรุงเพิ่มเติม ท่อเหล็กไร้รอยต่อ SAE 4140 แทนที่จะใช้การตีขึ้นรูปแข็ง การผลิตแท่งเหล็กรีดของเพลากลวง กระบอกสูบ ปลอก และชิ้นส่วนอื่นๆ สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตได้อย่างมากและช่วยประหยัดเหล็ก ท่อเหล็ก SAE 4140 ใช้กันอย่างแพร่หลายในเครื่องมือเจาะสกรูสำหรับการทำเหมืองน้ำมันและก๊าซ และอุปกรณ์ขุดเจาะอื่นๆ การบำบัดด้วยความร้อนท่อเหล็กไร้รอยต่อ SAE 4140 สามารถตอบสนองความต้องการด้านความแข็งแรงและความเหนียวของเหล็กที่แตกต่างกันได้โดยการปรับกระบวนการอบชุบให้เหมาะสมที่สุด อย่างไรก็ตาม มักพบว่าส่งผลกระทบต่อข้อบกพร่องในการส่งมอบผลิตภัณฑ์ในกระบวนการผลิต เอกสารนี้มุ่งเน้นไปที่ท่อเหล็ก SAE 4140 เป็นหลักในกระบวนการชุบแข็งตรงกลางความหนาของผนังปลายท่อ วิเคราะห์ข้อบกพร่องของรอยแตกร้าวรูปวงแหวน และเสนอมาตรการปรับปรุง

1. วัสดุและวิธีการทดสอบ

บริษัทผลิตข้อมูลจำเพาะสำหรับท่อเหล็กไร้ตะเข็บเกรด SAE 4140 ขนาด ∅ 139.7 × 31.75 มม. กระบวนการผลิตสำหรับการให้ความร้อนแท่งเหล็ก → เจาะ → รีด → กำหนดขนาด → อบชุบ (เวลาแช่ 850 ℃ เป็นเวลา 70 นาที + ท่อหมุนนอกเครื่องทำความเย็นแบบฝักบัวน้ำ + เวลาแช่ 735 ℃ เป็นเวลา 2 ชั่วโมง) → การตรวจจับและการตรวจสอบข้อบกพร่อง หลังจากการบำบัดด้วยการอบชุบ การตรวจสอบการตรวจจับข้อบกพร่องเผยให้เห็นว่ามีรอยแตกร้าวแบบวงแหวนตรงกลางความหนาของผนังที่ปลายท่อ ดังที่แสดงในรูปที่ 1 รอยแตกร้าวแบบวงแหวนปรากฏขึ้นที่ระยะห่างจากภายนอกประมาณ 21~24 มม. ล้อมรอบเส้นรอบวงของท่อ และไม่ต่อเนื่องบางส่วน ในขณะที่ไม่พบข้อบกพร่องดังกล่าวในตัวท่อ

นำตัวอย่างการชุบแข็งท่อเหล็กไปวิเคราะห์การชุบแข็งและสังเกตการจัดระเบียบการชุบแข็ง และวิเคราะห์สเปกตรัมขององค์ประกอบของท่อเหล็ก พร้อมกันนั้น นำตัวอย่างกำลังสูงไปสังเกตจุลภาคของรอยแตกร้าว ระดับขนาดเกรนในรอยแตกร้าวในท่อเหล็กกล้าที่ผ่านการอบชุบ และนำตัวอย่างไปตรวจด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดโดยใช้เครื่องสเปกโตรมิเตอร์เพื่อดูรอยแตกร้าวในองค์ประกอบภายในของการวิเคราะห์พื้นที่จุลภาค

2. ผลการทดสอบ

2.1 องค์ประกอบทางเคมี

ตารางที่ 1 แสดงผลการวิเคราะห์สเปกตรัมองค์ประกอบทางเคมี และองค์ประกอบของธาตุต่างๆ เป็นไปตามข้อกำหนดของมาตรฐาน ASTM A519

ตารางที่ 1 ผลการวิเคราะห์องค์ประกอบทางเคมี (เศษส่วนมวล %)

องค์ประกอบ	ค	ศรี	มน	ป	ส	Cr	โม	ลูกบาศ์ก	นิ
เนื้อหา	0.39	0.20	0.82	0.01	0.005	0.94	0.18	0.05	0.02
ข้อกำหนด 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 การทดสอบการแข็งตัวของท่อ

จากการทดสอบความแข็งของความหนาของผนังรวมของตัวอย่างที่ผ่านการชุบแข็งแล้ว ผลลัพธ์ความแข็งของความหนาของผนังรวมดังแสดงในรูปที่ 2 สามารถดูได้จากรูปที่ 2 ที่ระยะ 21 ~ 24 มม. จากด้านนอกของท่อ ความแข็งของการชุบแข็งจะเริ่มลดลงอย่างเห็นได้ชัด และจากด้านนอกของท่อที่ระยะ 21 ~ 24 มม. พบว่าบริเวณรอยร้าวของแหวนเป็นบริเวณที่มีความแข็งต่างกันสุดขั้วระหว่างตำแหน่งของความหนาของผนังบริเวณนั้นถึง 5 (HRC) หรือประมาณนั้น ความแตกต่างของความแข็งระหว่างความหนาของผนังด้านล่างและด้านบนของบริเวณนี้คือประมาณ 5 (HRC) การจัดระเบียบทางโลหะวิทยาในสถานะการชุบแข็งจะแสดงในรูปที่ 3 จากการจัดระเบียบทางโลหะวิทยาในรูปที่ 3 จะเห็นได้ว่าโครงสร้างในบริเวณภายนอกของท่อมีเฟอร์ไรต์ + มาร์เทนไซต์จำนวนเล็กน้อย ในขณะที่โครงสร้างใกล้กับพื้นผิวด้านในไม่ได้ถูกดับด้วยเฟอร์ไรต์และเบไนต์จำนวนเล็กน้อย ซึ่งทำให้ความแข็งในการดับต่ำจากพื้นผิวด้านนอกของท่อไปยังพื้นผิวด้านในของท่อที่ระยะห่าง 21 มม. ความสม่ำเสมอสูงของรอยแตกร้าวแบบวงแหวนในผนังท่อและตำแหน่งที่มีความแตกต่างอย่างมากในความแข็งในการดับบ่งชี้ว่ามีแนวโน้มที่จะเกิดรอยแตกร้าวแบบวงแหวนในกระบวนการดับ ความสม่ำเสมอสูงระหว่างตำแหน่งของรอยแตกร้าวแบบวงแหวนและความแข็งในการดับที่ด้อยกว่าบ่งชี้ว่ารอยแตกร้าวแบบวงแหวนอาจเกิดขึ้นระหว่างกระบวนการดับ

2.3 ผลการวิเคราะห์โลหะวิทยาของท่อเหล็กแสดงในรูปที่ 4 และรูปที่ 5 ตามลำดับ

โครงสร้างเมทริกซ์ของท่อเหล็กนั้นถูกอบด้วยออสเทไนต์ + เฟอร์ไรต์จำนวนเล็กน้อย + เบไนต์จำนวนเล็กน้อย โดยมีขนาดเกรนเท่ากับ 8 ซึ่งเป็นโครงสร้างที่ผ่านการอบด้วยความร้อนโดยเฉลี่ย รอยแตกร้าวขยายไปตามทิศทางตามยาว ซึ่งอยู่ตามแนวรอยแตกร้าวของผลึก และรอยแตกร้าวทั้งสองด้านมีลักษณะเฉพาะของการยึดเกาะ มีปรากฏการณ์ของการสลายตัวของคาร์บอนทั้งสองด้าน และชั้นออกไซด์สีเทาอุณหภูมิสูงสามารถสังเกตได้บนพื้นผิวของรอยแตกร้าว มีการสลายตัวของคาร์บอนทั้งสองด้าน และสามารถสังเกตเห็นชั้นออกไซด์สีเทาอุณหภูมิสูงบนพื้นผิวรอยแตกร้าว และไม่สามารถมองเห็นสิ่งเจือปนที่ไม่ใช่โลหะในบริเวณใกล้เคียงของรอยแตกร้าว

2.4 ผลการวิเคราะห์สัณฐานวิทยาการแตกร้าวและสเปกตรัมพลังงาน

หลังจากรอยแตกเปิดออกแล้ว จะสังเกตลักษณะจุลภาคของรอยแตกภายใต้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด ดังที่แสดงในรูปที่ 6 ซึ่งแสดงให้เห็นว่ารอยแตกได้รับความร้อนสูง และเกิดออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูงบนพื้นผิว รอยแตกส่วนใหญ่เกิดขึ้นตามรอยแตกของผลึก โดยมีขนาดเกรนตั้งแต่ 20 ถึง 30 ไมโครเมตร และไม่พบเกรนหยาบและข้อบกพร่องในการจัดระเบียบที่ผิดปกติ การวิเคราะห์สเปกตรัมพลังงานแสดงให้เห็นว่าพื้นผิวของรอยแตกประกอบด้วยเหล็กและออกไซด์ของเหล็กเป็นหลัก และไม่พบธาตุแปลกปลอมที่ผิดปกติ การวิเคราะห์สเปกตรัมแสดงให้เห็นว่าพื้นผิวของรอยแตกประกอบด้วยเหล็กและออกไซด์ของเหล็กเป็นหลัก โดยไม่มีธาตุแปลกปลอมที่ผิดปกติ

3. การวิเคราะห์และอภิปราย

3.1 การวิเคราะห์ข้อบกพร่องของรอยแตกร้าว

จากมุมมองของจุลภาคของรอยแตกร้าว รอยร้าวเปิดตรง หางโค้งและแหลม เส้นทางการขยายตัวของรอยแตกร้าวแสดงลักษณะของรอยแตกร้าวตามผลึก และรอยแตกร้าวทั้งสองด้านมีลักษณะการประกบกันแบบทั่วไป ซึ่งเป็นลักษณะทั่วไปของรอยแตกร้าวจากการดับ อย่างไรก็ตาม การตรวจสอบโลหะวิทยาพบว่ามีปรากฏการณ์การสลายคาร์บอนทั้งสองด้านของรอยแตกร้าว ซึ่งไม่สอดคล้องกับลักษณะของรอยแตกร้าวจากการดับแบบดั้งเดิม โดยคำนึงถึงข้อเท็จจริงที่ว่าอุณหภูมิการอบชุบของท่อเหล็กคือ 735 ℃ และ Ac1 คือ 738 ℃ ใน SAE 4140 ซึ่งไม่สอดคล้องกับลักษณะทั่วไปของรอยแตกร้าวจากการดับ เมื่อพิจารณาว่าอุณหภูมิการอบชุบที่ใช้กับท่อคือ 735 °C และ Ac1 ของ SAE 4140 คือ 738 °C ซึ่งใกล้เคียงกันมาก จึงถือว่าการลดปริมาณคาร์บอนที่ทั้งสองด้านของรอยแตกร้าวเกี่ยวข้องกับการอบชุบที่อุณหภูมิสูงในระหว่างการอบชุบ (735 °C) และไม่ใช่รอยแตกร้าวที่มีอยู่ก่อนการอบชุบด้วยความร้อนของท่อ

3.2 สาเหตุของการแตกร้าว

สาเหตุของรอยแตกร้าวจากการชุบแข็งโดยทั่วไปจะเกี่ยวข้องกับอุณหภูมิความร้อนในการชุบแข็ง อัตราการระบายความร้อนในการชุบแข็ง ข้อบกพร่องทางโลหะวิทยา และความเค้นในการชุบแข็ง จากผลการวิเคราะห์องค์ประกอบ องค์ประกอบทางเคมีของท่อตรงตามข้อกำหนดของเกรดเหล็ก SAE 4140 ในมาตรฐาน ASTM A519 และไม่พบองค์ประกอบที่เกิน ไม่พบสิ่งเจือปนที่ไม่ใช่โลหะใกล้กับรอยแตกร้าว และการวิเคราะห์สเปกตรัมพลังงานที่รอยแตกร้าวแสดงให้เห็นว่าผลิตภัณฑ์ออกซิเดชันสีเทาในรอยแตกร้าวคือ Fe และออกไซด์ของมัน และไม่พบองค์ประกอบแปลกปลอมที่ผิดปกติ ดังนั้นจึงสามารถตัดออกได้ว่าข้อบกพร่องทางโลหะวิทยาทำให้เกิดรอยแตกร้าวแบบวงแหวน เกรดขนาดเกรนของท่อคือเกรด 8 และเกรดขนาดเกรนคือเกรด 7 และขนาดเกรนคือเกรด 8 และขนาดเกรนคือเกรด 8 ระดับขนาดเกรนของท่อคือ 8 เมล็ดพืชได้รับการขัดเกลาและไม่หยาบ ซึ่งบ่งชี้ว่ารอยแตกร้าวจากการดับนั้นไม่มีส่วนเกี่ยวข้องกับอุณหภูมิความร้อนในการดับ

การเกิดรอยแตกร้าวจากการดับนั้นมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับความเค้นจากการดับ ซึ่งแบ่งเป็นความเค้นจากความร้อนและความเค้นจากองค์กร ความเค้นจากความร้อนเกิดจากกระบวนการระบายความร้อนของท่อเหล็ก ชั้นผิวและแกนกลางของท่อเหล็กมีอัตราการระบายความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอ ส่งผลให้วัสดุหดตัวไม่สม่ำเสมอและความเค้นภายใน ผลก็คือชั้นผิวของท่อเหล็กต้องรับความเค้นจากแรงอัดและแกนกลางของความเค้นจากแรงดึง ความเค้นจากเนื้อเยื่อคือการดับโครงสร้างท่อเหล็กให้กลายเป็นมาร์เทนไซต์ พร้อมกับการขยายตัวของปริมาตรของความไม่สม่ำเสมอในการสร้างความเค้นภายใน การจัดระเบียบความเค้นที่เกิดจากผลลัพธ์คือชั้นผิวของความเค้นจากแรงดึง ซึ่งเป็นศูนย์กลางของความเค้นจากแรงดึง ความเค้นทั้งสองประเภทนี้ในท่อเหล็กมีอยู่ในส่วนเดียวกัน แต่บทบาททิศทางนั้นตรงกันข้าม ผลรวมของผลลัพธ์คือปัจจัยหลักสองประการของความเค้น หนึ่งในสองปัจจัย ความเค้นจากความร้อนมีบทบาทหลักเป็นผลมาจากแรงดึงของแกนกลางของชิ้นงาน แรงกดบนพื้นผิว ความเครียดของเนื้อเยื่อที่มีบทบาทหลักเป็นผลมาจากแรงดึงของหัวใจชิ้นงานและแรงดึงของพื้นผิว

การชุบแข็งท่อเหล็ก SAE 4140 โดยใช้การผลิตการระบายความร้อนด้วยฝักบัวภายนอกแบบหมุน อัตราการระบายความร้อนของพื้นผิวด้านนอกจะมากกว่าพื้นผิวด้านในมาก โลหะด้านนอกของท่อเหล็กทั้งหมดจะชุบแข็ง ในขณะที่โลหะด้านในไม่ได้ถูกชุบแข็งทั้งหมดเพื่อผลิตส่วนหนึ่งขององค์กรเฟอร์ไรต์และเบไนต์ โลหะด้านในเนื่องจากโลหะด้านในไม่สามารถแปลงเป็นองค์กรมาร์เทนไซต์ได้อย่างสมบูรณ์ โลหะด้านในของท่อเหล็กจะต้องรับแรงดึงที่เกิดจากการขยายตัวของผนังด้านนอกของมาร์เทนไซต์อย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ และในเวลาเดียวกัน เนื่องจากประเภทองค์กรที่แตกต่างกัน ปริมาตรเฉพาะของโลหะด้านในและด้านนอกจึงแตกต่างกัน และอัตราการหดตัวไม่เท่ากันในระหว่างการทำความเย็น แรงดึงจะถูกสร้างขึ้นที่อินเทอร์เฟซขององค์กรทั้งสองประเภท และการกระจายของแรงจะถูกครอบงำโดยแรงดึงจากความร้อน และความเค้นแรงดึงที่เกิดขึ้นที่อินเทอร์เฟซขององค์กรทั้งสองประเภทภายใน ท่อเป็นส่วนที่ใหญ่ที่สุด ส่งผลให้เกิดรอยแตกร้าวจากการชุบแข็งแบบวงแหวนในบริเวณความหนาของผนังท่อใกล้กับพื้นผิวด้านใน (ห่างจากพื้นผิวด้านนอก 21~24 มม.) นอกจากนี้ ปลายท่อเหล็กยังเป็นส่วนที่ไวต่อเรขาคณิตของท่อทั้งหมด จึงมีแนวโน้มที่จะเกิดความเครียด นอกจากนี้ ปลายท่อยังเป็นส่วนที่ไวต่อเรขาคณิตของท่อทั้งหมด จึงมีแนวโน้มที่จะเกิดความเครียดสะสม รอยแตกร้าวแบบวงแหวนนี้มักเกิดขึ้นที่ปลายท่อเท่านั้น และไม่พบรอยแตกร้าวในลักษณะดังกล่าวในตัวท่อ

โดยสรุป ท่อเหล็กผนังหนา SAE 4140 ที่ผ่านการชุบแข็งมีรอยแตกร้าวเป็นรูปวงแหวน เกิดจากการระบายความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอของผนังด้านในและด้านนอก อัตราการระบายความร้อนของผนังด้านนอกจะสูงกว่าผนังด้านในมาก การผลิตท่อเหล็กผนังหนา SAE 4140 เพื่อเปลี่ยนวิธีการระบายความร้อนที่มีอยู่ ไม่สามารถใช้ได้นอกกระบวนการระบายความร้อนเท่านั้น จำเป็นต้องเสริมการระบายความร้อนของผนังด้านในของท่อเหล็ก เพื่อปรับปรุงความสม่ำเสมอของอัตราการระบายความร้อนของผนังด้านในและด้านนอกของท่อเหล็กผนังหนา เพื่อลดความเข้มข้นของความเค้น และกำจัดรอยแตกร้าวของวงแหวน รอยแตกร้าวของวงแหวน

3.3 มาตรการปรับปรุง

เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดรอยแตกร้าวจากการดับ ในการออกแบบกระบวนการดับ เงื่อนไขทั้งหมดที่ส่งผลต่อการพัฒนาของแรงดึงจากการดับเป็นปัจจัยสำหรับการเกิดรอยแตกร้าว รวมถึงอุณหภูมิความร้อน กระบวนการทำความเย็น และอุณหภูมิการระบายออก มาตรการกระบวนการที่ปรับปรุงแล้วที่เสนอ ได้แก่ อุณหภูมิการดับ 830-850 ℃ การใช้หัวฉีดภายในที่จับคู่กับเส้นกึ่งกลางของท่อ การควบคุมการไหลของสเปรย์ภายในที่เหมาะสม การปรับปรุงอัตราการระบายความร้อนของรูภายในเพื่อให้แน่ใจว่าอัตราการระบายความร้อนของผนังด้านในและด้านนอกของท่อเหล็กผนังหนามีอัตราการระบายความร้อนสม่ำเสมอ ควบคุมอุณหภูมิหลังการดับ 150-200 ℃ การใช้อุณหภูมิที่เหลือของท่อเหล็กในการอบชุบด้วยตนเอง ลดความเครียดในการดับในท่อเหล็ก

การใช้เทคโนโลยีที่ปรับปรุงใหม่ทำให้ได้ท่อเหล็กขนาด ∅158.75 × 34.93 มม. ∅139.7 × 31.75 มม. ∅254 × 38.1 มม. ∅224 × 26 มม. เป็นต้น ตามข้อกำหนดของท่อเหล็กหลายสิบแบบ หลังจากการตรวจสอบข้อบกพร่องด้วยอัลตราโซนิก ผลิตภัณฑ์จะผ่านคุณสมบัติ โดยไม่มีรอยแตกร้าวจากการชุบวงแหวน

4. บทสรุป

(1) ตามลักษณะเฉพาะในระดับมหภาคและจุลภาคของรอยแตกร้าวของท่อ รอยแตกร้าวแบบวงแหวนที่ปลายท่อของท่อเหล็ก SAE 4140 เกิดจากความล้มเหลวในการแตกร้าวซึ่งเกิดจากความเครียดในการดับ ซึ่งมักเกิดขึ้นที่ปลายท่อ

(2) รอยแตกร้าวรูปวงแหวนของท่อเหล็กผนังหนา SAE 4140 ที่ดับลงเกิดจากการระบายความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอของผนังด้านในและด้านนอก อัตราการระบายความร้อนของผนังด้านนอกจะสูงกว่าผนังด้านในมาก เพื่อปรับปรุงความสม่ำเสมอของอัตราการระบายความร้อนของผนังด้านในและด้านนอกของท่อเหล็กผนังหนา การผลิตท่อเหล็กผนังหนา SAE 4140 จำเป็นต้องเสริมการระบายความร้อนของผนังด้านใน