Phân tích nguyên nhân gây ra vết nứt hình vòng trong ống thép liền mạch SAE 4140 đã tôi

Nguyên nhân gây ra vết nứt hình vòng ở đầu ống của ống thép liền mạch SAE 4140 đã được nghiên cứu bằng cách kiểm tra thành phần hóa học, thử nghiệm độ cứng, quan sát kim loại học, kính hiển vi điện tử quét và phân tích phổ năng lượng. Kết quả cho thấy vết nứt hình vòng của ống thép liền mạch SAE 4140 là vết nứt dập tắt, thường xảy ra ở đầu ống. Nguyên nhân gây ra vết nứt dập tắt là tốc độ làm mát khác nhau giữa thành trong và thành ngoài, tốc độ làm mát của thành ngoài cao hơn nhiều so với thành trong, dẫn đến nứt vỡ do ứng suất tập trung gần vị trí thành trong. Có thể loại bỏ vết nứt hình vòng bằng cách tăng tốc độ làm mát của thành trong của ống thép trong quá trình dập tắt, cải thiện tính đồng đều của tốc độ làm mát giữa thành trong và thành ngoài, và kiểm soát nhiệt độ sau khi dập tắt trong phạm vi 150 ~ 200 ℃ để giảm ứng suất dập tắt bằng cách tự tôi luyện.

SAE 4140 là thép kết cấu hợp kim thấp CrMo, là loại tiêu chuẩn ASTM A519 của Hoa Kỳ, trong tiêu chuẩn quốc gia 42CrMo dựa trên sự gia tăng hàm lượng Mn; do đó, khả năng tôi luyện SAE 4140 đã được cải thiện hơn nữa. Ống thép liền mạch SAE 4140, thay vì rèn rắn, sản xuất phôi cán các loại trục rỗng, xi lanh, ống lót và các bộ phận khác có thể cải thiện đáng kể hiệu quả sản xuất và tiết kiệm thép; Ống thép SAE 4140 được sử dụng rộng rãi trong các công cụ khoan vít khai thác dầu khí và các thiết bị khoan khác. Xử lý tôi luyện ống thép liền mạch SAE 4140 có thể đáp ứng các yêu cầu về độ bền và độ dẻo dai của thép khác nhau bằng cách tối ưu hóa quy trình xử lý nhiệt. Tuy nhiên, nó thường được phát hiện ảnh hưởng đến các khuyết tật giao sản phẩm trong quá trình sản xuất. Bài báo này chủ yếu tập trung vào ống thép SAE 4140 trong quá trình tôi ở giữa độ dày thành của đầu ống, đưa ra phân tích khuyết tật nứt hình vòng và đưa ra các biện pháp cải tiến.

1. Vật liệu và phương pháp thử nghiệm

Một công ty đã sản xuất thông số kỹ thuật cho ống thép liền mạch cấp thép SAE 4140 ∅ 139,7 × 31,75 mm, quy trình sản xuất phôi thép nung → đục lỗ → cán → định cỡ → ram (thời gian ngâm 850 ℃ trong 70 phút làm nguội + ống quay bên ngoài vòi sen nước làm mát + thời gian ngâm 735 ℃ trong 2 giờ ram) → Phát hiện và kiểm tra khuyết tật. Sau khi xử lý ram, kiểm tra phát hiện khuyết tật cho thấy có một vết nứt hình khuyên ở giữa độ dày thành ống tại đầu ống, như thể hiện trong Hình 1; vết nứt hình khuyên xuất hiện cách bên ngoài khoảng 21~24 mm, bao quanh chu vi của ống và không liên tục một phần, trong khi không tìm thấy khuyết tật nào như vậy trong thân ống.

Lấy một lô mẫu tôi ống thép để phân tích tôi và quan sát tổ chức tôi, và phân tích quang phổ thành phần của ống thép, đồng thời, trong các vết nứt của ống thép đã tôi để lấy mẫu công suất cao để quan sát hình thái vi mô của vết nứt, mức độ kích thước hạt và trong kính hiển vi điện tử quét bằng máy quang phổ để phân tích thành phần bên trong của vết nứt theo diện tích vi mô.

2. Kết quả kiểm tra

2.1 Thành phần hóa học

Bảng 1 cho thấy kết quả phân tích phổ thành phần hóa học và thành phần của các nguyên tố phù hợp với yêu cầu của tiêu chuẩn ASTM A519.

Bảng 1 Kết quả phân tích thành phần hóa học (phần khối lượng, %)

Yếu tố	C	Sĩ	Mn	P	S	Cr	Mơ	Củ	Ni
Nội dung	0.39	0.20	0.82	0.01	0.005	0.94	0.18	0.05	0.02
Yêu cầu 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 Kiểm tra độ cứng của ống

Trên các mẫu tôi của phép thử độ cứng tôi toàn bộ độ dày thành, kết quả độ cứng tôi toàn bộ độ dày thành, như thể hiện trong Hình 2, có thể thấy trong Hình 2, ở 21 ~ 24 mm từ bên ngoài độ cứng tôi bắt đầu giảm đáng kể, và từ bên ngoài 21 ~ 24 mm là quá trình tôi nhiệt độ cao của ống được tìm thấy trong vùng vết nứt vòng, diện tích bên dưới và bên trên độ dày thành của độ cứng có sự khác biệt cực độ giữa vị trí của độ dày thành của vùng đạt tới 5 (HRC) hoặc hơn. Sự khác biệt độ cứng giữa độ dày thành trên và dưới của khu vực này là khoảng 5 (HRC). Tổ chức kim loại học ở trạng thái tôi được thể hiện trong Hình 3. Từ tổ chức kim loại học trong Hình 3; có thể thấy rằng tổ chức ở vùng ngoài của ống là một lượng nhỏ ferit + martensite, trong khi tổ chức gần bề mặt bên trong không được tôi, với một lượng nhỏ ferit và bainite, dẫn đến độ cứng tôi thấp từ bề mặt ngoài của ống đến bề mặt bên trong của ống ở khoảng cách 21 mm. Độ đồng nhất cao của các vết nứt vòng trong thành ống và vị trí có sự khác biệt cực lớn về độ cứng tôi cho thấy rằng các vết nứt vòng có khả năng được tạo ra trong quá trình tôi. Độ đồng nhất cao giữa vị trí các vết nứt vòng và độ cứng tôi kém hơn cho thấy rằng các vết nứt vòng có thể đã được tạo ra trong quá trình tôi.

2.3 Kết quả kim loại học của ống thép được thể hiện lần lượt ở Hình 4 và Hình 5.

Tổ chức ma trận của ống thép là austenit tôi luyện + một lượng nhỏ ferit + một lượng nhỏ bainit, với kích thước hạt là 8, là tổ chức tôi luyện trung bình; các vết nứt kéo dài theo hướng dọc, thuộc về vết nứt tinh thể và hai bên của vết nứt có đặc điểm điển hình là bám dính; có hiện tượng khử cacbon ở cả hai bên và có thể quan sát thấy lớp oxit xám nhiệt độ cao trên bề mặt vết nứt. Có hiện tượng khử cacbon ở cả hai bên và có thể quan sát thấy lớp oxit xám nhiệt độ cao trên bề mặt vết nứt và không thể nhìn thấy tạp chất phi kim loại nào ở gần vết nứt.

2.4 Kết quả phân tích hình thái nứt gãy và phổ năng lượng

Sau khi vết nứt được mở ra, hình thái vi mô của vết nứt được quan sát dưới kính hiển vi điện tử quét, như thể hiện trong Hình 6, cho thấy vết nứt đã chịu nhiệt độ cao và quá trình oxy hóa ở nhiệt độ cao đã xảy ra trên bề mặt. Vết nứt chủ yếu dọc theo vết nứt tinh thể, với kích thước hạt dao động từ 20 đến 30 μm và không tìm thấy hạt thô và khuyết tật tổ chức bất thường; phân tích phổ năng lượng cho thấy bề mặt của vết nứt chủ yếu bao gồm sắt và oxit của nó, và không thấy các nguyên tố lạ bất thường. Phân tích phổ cho thấy bề mặt vết nứt chủ yếu là sắt và oxit của nó, không có nguyên tố lạ bất thường.

3 Phân tích và thảo luận

3.1 Phân tích khuyết tật nứt

Theo quan điểm về hình thái vi mô vết nứt, phần mở vết nứt thẳng; đuôi cong và sắc; đường mở rộng vết nứt cho thấy đặc điểm của vết nứt dọc theo tinh thể và hai bên vết nứt có đặc điểm ăn khớp điển hình, đây là đặc điểm thông thường của vết nứt tôi. Tuy nhiên, kiểm tra kim loại học phát hiện ra rằng có hiện tượng khử cacbon ở cả hai bên vết nứt, không phù hợp với đặc điểm của vết nứt tôi truyền thống, có tính đến thực tế là nhiệt độ tôi của ống thép là 735 ℃ và Ac1 là 738 ℃ trong SAE 4140, không phù hợp với đặc điểm thông thường của vết nứt tôi. Xét đến nhiệt độ tôi luyện được sử dụng cho ống là 735 °C và Ac1 của SAE 4140 là 738 °C, rất gần nhau, có thể cho rằng quá trình khử cacbon ở cả hai bên vết nứt có liên quan đến quá trình tôi luyện ở nhiệt độ cao trong quá trình tôi luyện (735 °C) chứ không phải là vết nứt đã tồn tại trước khi xử lý nhiệt ống.

3.2 Nguyên nhân nứt

Nguyên nhân gây ra vết nứt tôi thường liên quan đến nhiệt độ gia nhiệt tôi, tốc độ làm nguội tôi, khuyết tật luyện kim và ứng suất tôi. Từ kết quả phân tích thành phần, thành phần hóa học của ống đáp ứng các yêu cầu của mác thép SAE 4140 trong tiêu chuẩn ASTM A519 và không tìm thấy nguyên tố vượt quá; không tìm thấy tạp chất phi kim loại gần các vết nứt và phân tích phổ năng lượng tại vết nứt gãy cho thấy các sản phẩm oxy hóa màu xám trong các vết nứt là Fe và oxit của nó, và không thấy các nguyên tố lạ bất thường, vì vậy có thể loại trừ rằng các khuyết tật luyện kim gây ra các vết nứt hình khuyên; cấp kích thước hạt của ống là Cấp 8, và cấp kích thước hạt là Cấp 7, và kích thước hạt là Cấp 8, và kích thước hạt là Cấp 8. Mức kích thước hạt của ống là 8; hạt được tinh chế và không thô, điều này cho thấy vết nứt tôi không liên quan gì đến nhiệt độ gia nhiệt tôi.

Sự hình thành các vết nứt dập tắt có liên quan chặt chẽ đến ứng suất dập tắt, được chia thành ứng suất nhiệt và ứng suất tổ chức. Ứng suất nhiệt là do quá trình làm mát của ống thép; tốc độ làm mát lớp bề mặt và lõi của ống thép không đồng nhất, dẫn đến sự co lại không đồng đều của vật liệu và ứng suất bên trong; kết quả là lớp bề mặt của ống thép phải chịu ứng suất nén và lõi của ứng suất kéo; ứng suất mô là sự dập tắt của tổ chức ống thép thành biến đổi martensite, cùng với sự giãn nở của thể tích không đồng nhất trong quá trình tạo ra ứng suất bên trong, tổ chức ứng suất do kết quả tạo ra là lớp bề mặt của ứng suất kéo, tâm của ứng suất kéo. Hai loại ứng suất này trong ống thép tồn tại trong cùng một phần, nhưng vai trò hướng ngược lại; hiệu ứng kết hợp của kết quả là một trong hai yếu tố chi phối của ứng suất, vai trò chi phối của ứng suất nhiệt là kết quả của lực kéo của lõi phôi, áp suất bề mặt; vai trò chi phối của ứng suất mô là kết quả của áp suất kéo của lõi phôi kéo bề mặt.

Làm nguội ống thép SAE 4140 sử dụng sản xuất làm mát vòi sen ngoài quay, tốc độ làm mát của bề mặt ngoài lớn hơn nhiều so với bề mặt trong, kim loại bên ngoài của ống thép đều được làm nguội, trong khi kim loại bên trong không được làm nguội hoàn toàn để tạo ra một phần tổ chức ferit và bainit, kim loại bên trong do kim loại bên trong không thể chuyển đổi hoàn toàn thành tổ chức martensitic, kim loại bên trong của ống thép chắc chắn phải chịu ứng suất kéo do sự giãn nở của thành ngoài của martensit, đồng thời, do các loại tổ chức khác nhau, thể tích riêng của nó giữa kim loại bên trong và bên ngoài khác nhau Đồng thời, do các loại tổ chức khác nhau, thể tích riêng của các lớp kim loại bên trong và bên ngoài là khác nhau và tốc độ co ngót không giống nhau trong quá trình làm nguội, ứng suất kéo cũng sẽ được tạo ra tại giao diện của hai loại tổ chức và sự phân bố ứng suất bị chi phối bởi ứng suất nhiệt và ứng suất kéo tạo ra tại giao diện của hai loại tổ chức bên trong ống là lớn nhất, dẫn đến các vết nứt làm nguội vòng xảy ra ở khu vực độ dày thành của ống gần bề mặt bên trong (cách bề mặt bên ngoài 21~24 mm); ngoài ra, đầu ống thép là bộ phận nhạy cảm về hình học của toàn bộ ống, dễ sinh ra ứng suất. Ngoài ra, đầu ống là bộ phận nhạy cảm về hình học của toàn bộ ống, dễ sinh ra ứng suất tập trung. Vết nứt vòng này thường chỉ xảy ra ở đầu ống và chưa phát hiện thấy vết nứt như vậy ở thân ống.

Tóm lại, các vết nứt hình vòng của ống thép thành dày SAE 4140 đã tôi là do quá trình làm mát không đều của thành trong và ngoài; tốc độ làm mát của thành ngoài cao hơn nhiều so với thành trong; sản xuất ống thép thành dày SAE 4140 để thay đổi phương pháp làm mát hiện có, không thể chỉ sử dụng bên ngoài quy trình làm mát, cần tăng cường làm mát thành trong của ống thép, cải thiện tính đồng đều của tốc độ làm mát của thành trong và ngoài của ống thép thành dày để giảm sự tập trung ứng suất, loại bỏ các vết nứt vòng. Các vết nứt vòng.

3.3 Biện pháp cải tiến

Để tránh nứt do tôi, trong quá trình thiết kế tôi, tất cả các điều kiện góp phần vào sự phát triển của ứng suất kéo tôi là các yếu tố hình thành vết nứt, bao gồm nhiệt độ gia nhiệt, quá trình làm mát và nhiệt độ xả. Các biện pháp cải tiến quy trình được đề xuất bao gồm: nhiệt độ tôi 830-850 ℃; sử dụng vòi phun bên trong phù hợp với đường tâm của ống, kiểm soát lưu lượng phun bên trong thích hợp, cải thiện tốc độ làm mát của lỗ bên trong để đảm bảo tốc độ làm mát của thành trong và ngoài của ống thép thành dày đồng đều tốc độ làm mát; kiểm soát nhiệt độ sau khi tôi 150-200 ℃, sử dụng nhiệt độ dư của ống thép tự tôi, giảm ứng suất tôi trong ống thép.

Sử dụng công nghệ cải tiến sản xuất ∅158,75 × 34,93 mm, ∅139,7 × 31,75 mm, ∅254 × 38,1 mm, ∅224 × 26 mm, v.v., theo hàng chục thông số kỹ thuật của ống thép. Sau khi kiểm tra khuyết tật siêu âm, các sản phẩm đạt tiêu chuẩn, không có vết nứt làm nguội vòng.

4. Kết luận

(1) Theo đặc điểm vĩ mô và vi mô của vết nứt ống, vết nứt hình khuyên ở đầu ống của ống thép SAE 4140 thuộc về sự cố nứt do ứng suất dập tắt, thường xảy ra ở đầu ống.

(2) Các vết nứt hình vòng của ống thép thành dày SAE 4140 bị tôi là do quá trình làm mát không đều của thành trong và thành ngoài. Tốc độ làm mát của thành ngoài cao hơn nhiều so với thành trong. Để cải thiện tính đồng đều của tốc độ làm mát của thành trong và thành ngoài của ống thép thành dày, quá trình sản xuất ống thép thành dày SAE 4140 cần tăng cường quá trình làm mát của thành trong.