301L方钢管裂纹产生原因分析及控制措施_王运苗.pdf

301L 方钢管裂纹产生原因分析及控制措施王运苗，连容广（唐山中厚板材有限公司，河北唐山063000）摘要：301L-1/8 材料广泛应用于滚弯焊接的方钢管中，在现场检测中发现，301L-1/8 的方钢管在端部折弯处出现裂纹，通过 PT 检测，由金相观察确定了裂纹的存在。从硬度、金相等方面分析裂纹产生机理，最后将折弯内径由2 倍的板厚改变为 3 倍的板厚，通过检测发现裂纹得到消除。关键词：方钢管；裂纹；金相中图分类号：TG337.5文献标识码：A文章编号：1672-1152（2023）05-0065-031301L 不锈钢概述301 不锈钢具有亚稳态特性，不仅屈服强度高，而且因其塑性变形能诱导马氏体强化相，具有高加工硬化率，经过辊压或者折弯可加工成型为飞机、建筑和轨道车辆部件。而 301L 钢是在 301 钢的基础上，降低 C 含量，使其具有了较好的延展性，同时改善了焊口的抗晶间腐蚀性1，广泛应用于滚弯焊接制成的方钢管及高强度、高刚度结构中。根据标准，当板厚4mm 时，方钢管折弯的内 R 角半径的最小折弯半径为1.5 倍的板厚，但在某项目实际生产中，方钢管折弯处出现批量裂纹，严重影响了生产进度和产品质量。通过分析裂纹机理，在满足结构使用要求的前提下，加大了折弯半径，后续生产的方钢管不再出现裂纹。2问题描述检测人员对库存内方管的端部进行 PT 检测，检测显示方钢管均存在裂纹，裂纹形貌如图 1 所示。对现场方管的断面进行了金相检测，金相检测结果依然显示方钢管存在裂纹，带裂纹方钢管低倍组织如图 2 所示。3裂纹机理分析3.1301L 材料的性能301L 不锈钢材料主要用于有高强度需求的场合，它的加工硬化率很高，每 1%压下率，抗拉强度可增加 14 MPa。因此，301L 不锈钢通过冷轧和冷成型可以达到很高的强度，其金相组织中至少有一部分应变硬化的奥氏体转化为马氏体，301L 尽管强度高，但是仍具有足够的残余延展性可进行大量的冷变形。其退火状态下无磁性，但是冷加工之后有很强的磁性。301L 不锈钢冷轧板根据冷加工压延量的不同分为 H、1/2H、1/4H、1/8H、1/16H，共 5 个强度等级，其中1/8H 的二次压延率控制在 9%17%的范围内，强度更高，适用于高强度要求的复杂断面板类通长零件的折弯和辊压加工。3.2方钢管生产工艺方钢管单件由二道生产工序完成，设备包括圆管生产成型和焊接设备、圆管成型为方管的管压设备。方管制造工艺（见图 3）：采用 301L-1/8 板材将其卷曲成筒形，采用焊接方式形成圆管，方钢管采用连续冷挤压变形的方式成型。在连续的冷挤压变形过程中，受材料的延展性能影响，如果冷挤压变形的速度较快，每个滚子挤压的变形量越大，那么就易于在滚弯圆角区域产生裂纹。3.3金相分析在标准中，301L-1/8 的屈服强度数值要求415 MPa，而对方钢管取样测试得到的屈服强度平均值为 640 MPa，由此可见，钢管的强度在受到冷挤压变形的时候出现了明显的提高，冷加工会导致材料的强度上升。通过金相分析发现，301L-1/8L 不锈钢的基体组织均为奥氏体组织，基体内存在大量的形变孪晶和板条状马氏体，说明方钢管在受挤压的过程中产生了大量的位错，这些位错阻碍金属流动变形，从微观上证明了冷加工会影响材料的强度。变形方钢管金相组织如下页图 4 所示。收稿日期：2022-12-02第一作者简介：王运苗（1985），女，江西宜春人，毕业于华北理工大学，本科，工程师，主要研究方向为金属压力加工。通信作者：连容广（1984），男，河北衡水人，毕业于华北理工大学，本科，高级工程师，主要研究方向为金属压力加工。总第 208 期2023 年第 5 期山西冶金Shanxi MetallurgyTotal 208No.5，2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.05.025图 1方钢管裂纹图 2带裂纹方钢管低倍组织图 3方钢管生产工艺简图试（实）验研究山西冶金E-mail:第 46 卷3.4方钢管显微硬度测试进一步研究方钢管裂纹的产生机理，对方钢管的硬度进行检测，采样点位置如图 5 所示，测试的硬度数值如表 1 所示。由表 1 中的数据可知，弯角处的硬度值明显高于其他区域，这说明在冷挤压变形过程中，弯角处在冷作硬化的作用下，硬度提高，塑性下降。4改进措施4.1原因分析通过对出现裂纹的方钢管进行硬度、强度和组织的分析，发现冷作硬化导致折弯处的强度升高、延展率下降是导致方钢管折弯处出现裂纹的主要原因。因此，从母材的选择、折弯半径的选择以及后续的检测手段这三方面来避免后续裂纹的产生。4.2母材的选择通过分析可知，材料的强度是导致方钢管出现裂纹的主要因素，从对不锈钢金相组织的观察中发现，4 mm 厚度的原材料内部金相组织形变孪晶较 3 mm厚的更多一些，从微观上面证明了厚板的强度一般比薄板的强度要高，所以在满足折弯的条件下应尽量选择板厚较薄者。此外，标准中一般只规定了材料强度的下限值，未规定上限值，导致不同批次的原材料强度差异很大。为了降低方钢管的冷挤压变形难度，在制造方钢管之前，对原材料进行力学性能分析，挑选强度数值最接近标准的原材料生产方钢管，并针对不同强度的材料采取不同的挤压速度，对于强度较高的原材料采用较慢的挤压速度。4.3折弯半径折弯半径的大小直接影响方钢管的变形量，所以在满足要求的前提下，折弯半径越大，越不容易出现裂纹，但是折弯半径增大又会导致方钢管结构的较大改变，因此最终将方钢管的折弯内径由 2 倍的板厚改为 3 倍的板厚。4.4检测4.4.1PT 检测对折弯成型之后的不锈钢方钢管进行检测，在纵向上将方管每隔 400 mm 长切开，对切开端部 4 个角分别做 PT 检测。端部检测合格后，将方管在横向上切开，分别对方管内、外圆角进行 PT 检测。有选择性地进行振动试验，试验结束后再进行 PT 检测，结果发现，在方钢管的 4 个折弯处都没有 PT 显示，说明没有裂纹产生。PT 检测结果如图 6 所示。4.4.2硬度检测对按照 3 倍板厚外圆角新试制的 4 mm 方钢管进行显微硬度测试，测试的采用点位置如图 5 所示，采样点的硬度测试结果如下页表 2 所示，对比开裂的方钢管显微硬度可以发现，在冷弯圆角区域，R12 mm 圆角的方钢管的硬度低于 R8 mm 圆角的方钢管，说明了较小的圆角半径产生了较大的冷加工硬化，这对金属的塑性变形是不利的。由此说明提高折弯半径可以有效降低折弯裂纹的产生。4.4.3强度数值为了更好地分析折弯半径对于材料力学性能的影响，分别从 R8 mm、R12 mm 和 4 mm 原材料的不锈钢板各取三个试样进行力学性能分析，其中三个试样取自不同的部位，对实验数据取平均值，得到的力学图 4变形方钢管高倍组织图表 1方钢管硬度（HV）数值图 5方钢管硬度采样位置采样位置1234-14-24-3硬度（HV）339309312343467370采样位置567-17-27-38硬度（HV）3302942723193142706-3R12 mm 方管振动试验后内部 RT 检测图 63T 不锈钢方钢管 PT 检测结果6-1R12 mm 方管端部RT 检测6-2R12 mm 方管内部RT 检测662023 年第 5 期表 2折弯内径为 3 倍板厚的方钢管硬度数值表 3力学性能数值对比性能数据如表 3 所示。通过表 3 的数据对比可知，冷挤压变形后材料屈服强度和抗拉强度数值均高于原材料，断面延伸率低于原材料，这充分说明了冷挤压变形会导致加工硬化。对 R8 mm 和 R12 mm 的材料的力学性能进行分析，折弯半径为 R12 mm 的材料的屈服强度和抗拉强度低于 R8 mm 的方钢管，断面延伸率高于折弯半径为 R8 mm 的材料。这充分说明了增加圆角之后能够降低方钢管的强度，提高其塑性变形能力，减少方钢管开裂的风险；钢管强度越低，越有利于折弯。标准中规定的 4 mm 厚度的 301L-1/8 材料的屈服强度是415 MPa，而选取的母材的屈服强度是568 MPa，高于标准规定的数值。因此，在生产之前对制造方钢管的材料进行原材料强度复检，依据实际的强度数值来制订不同的方钢管冷挤压速度，以降低方钢管开裂的风险。4.4.4后续质量控制措施将方钢管的折弯半径由 2 倍板厚增加至 3 倍板厚；对方管的原材料进行力学性能复验；对每批次不同物料的方钢管在入库阶段随机抽样进行全尺寸检测，重点检测 R 角的大小；增加入库阶段每批次的抽检比例，对其焊接部位及 2 个端头的 4 个 R 角处进行PT 检测。5结论1）通过板材滚弯再焊接而成的方钢管，在折弯半径处由于冷作硬化极易产生裂纹，通过适当提高折弯半径可避免裂纹的产生。2）冷挤压变形会导致奥氏体不锈钢 301L-1/8 材料的加工硬化，提升屈服强度、抗拉强度和硬度，降低断面延伸率，强度数值越高，断面延伸率数值越低，在奥氏体不锈钢的冷挤压成型工艺中就越容易出现开裂。3）对于相同板厚的 301L-1/8 的不锈钢板，折弯半径越大，折弯处开裂的风险就越小，但是对于结构的影响就越大。4 mm 厚度的 301L-1/8 的不锈钢板推荐的最小折弯半径为 3 倍的板厚。4）在制订方钢管的折弯工艺之前，对于原材料的强度数值进行复检，根据强度数值对原材料进行分类，依据实际的强度数值制订不同的方钢管冷挤压速度可以降低方钢管开裂的风险。参考文献1左银龙.301L 冷轧不锈钢点焊接头疲劳断裂分析D.北京：北京交通大学，2012.2谢一麟，熊立斌，孟若愚，等.不锈钢氮气管裂纹原因分析J.石油和化工设备，2022（9）：53-57.3刘娟娟，张硕韶，王赵美，等.不锈钢激光焊叠焊在不同载荷比下的疲劳性能研究J.焊接技术，2022（1）：33-37.4连容广，王运苗，王丽云.中厚板镰刀弯缺陷的成因及控制J.宽厚板，2020，26（2）：33-35.5连容广.中厚钢板生产中防范缺陷产生的工艺措施J.百科论坛电子杂志，2018（7）：288.（编辑：武倩倩）测点位置12344-14-25677-17-28R8 mm339309312343467370330294272319314270R12 mm292296301308383341292287259301303255类型抗拉强度/MPa屈服强度/MPa延伸率/%R8 mm1 01464035.35R12 mm96370239.83原材料92356840.41Analysis and Control Measures for Cracks in 301L Square Steel PipeWang Yunmiao,Lian Rongguang（Tangshan Medium Heavy Plate Co.,Ltd.,Tangshan Hebei 063000）Abstract:The 301L-1/8 material is widely used in rolled welded square steel pipes.During on-site inspection,cracks were found at theend bending of the 301L-1/8 square steel pipe.Through PT testing,the existence of cracks was determined through metallographicobservation.This paper analyzes the mechanism of crack formation from aspects such as hardness and gold,and finally changes the bendinginner diameter from 2 times the plate thickness to 3 times the plate thickness.Through inspection,it was found that the crack waseliminated.Key words:square steel pipe;crackle;metallography王运苗，连容广：301L 方钢管裂纹产生原因分析及控制措施67