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904L奧氏體型不銹鋼具有較為優(yōu)異的抗酸蝕性能，在涉及磷酸及硫酸等強(qiáng)腐蝕環(huán)境的化工行業(yè)應(yīng)用廣泛，可以用作管道、泵、閥、容器設(shè)備以及攪拌設(shè)備的主體材料或與介質(zhì)接觸部分的材料。某公司生產(chǎn)904L不銹鋼荒管的工藝流程為：鋼錠表面質(zhì)量檢驗(yàn)→鍛造 (二火鍛造開鍛溫度不低于1100℃，停鍛溫度不低于850℃)成圓鋼→空冷→鋸切扒皮成短圓鋼→加熱(1080℃)→穿孔成尺寸為210mm×18mm(直徑×長度)的荒管→水冷。

研究人員在對(duì)某批荒管進(jìn)行水冷之后的表面質(zhì)量檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)壁存在裂紋。其采用一系列理化檢驗(yàn)方法分析該荒管開裂原因，進(jìn)行失效分析，以避免該類問題再次發(fā)生。

1、理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

該開裂荒管宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：荒管外表面未見異常,將其沿軸向剖開，內(nèi)壁可見各裂紋之間大致平行，與縱向呈一定角度，裂紋非筆直線型，存在一定彎曲，裂紋周圍管壁存在凹凸起伏，呈明顯的塑性變形特征形貌。

將試樣磨拋后置于體視顯微鏡下觀察，1號(hào)試樣橫向剖面裂紋長度約為6.4mm，裂紋周圍存在大小不一的孔洞;2號(hào)試樣橫向剖面主裂紋旁存在大量的細(xì)小條狀缺陷，距管內(nèi)壁表面約8mm處縱向截面可見細(xì)小條狀缺陷。

1.2 化學(xué)成分分析

采用紅外碳硫儀和直讀光譜儀對(duì)荒管進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：荒管中Mo元素含量略低于ASTM A240/240M-22《壓力容器和一般應(yīng)用用鉻和鉻鎳不銹鋼板、薄板和帶材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》的要求。

1.3 力學(xué)性能測(cè)試

在開裂荒管上截取試樣，依據(jù) GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》和GB/T 230.1—2018《金屬材料 洛氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》對(duì)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和洛氏硬度測(cè)試，結(jié)果如表2所示。由表2可知：荒管的力學(xué)性能滿足產(chǎn)品技術(shù)要求。

1.4 掃描電鏡(SEM)及能譜分析

在2號(hào)試樣的橫向和縱向剖面上取樣，用掃描電鏡對(duì)試樣進(jìn)行觀察，然后將2號(hào)試樣沿裂紋人工打開，利用掃描電鏡觀察其斷口，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：橫向剖面可觀察到裂紋分叉，裂紋開口較大，周圍存在細(xì)小條狀缺陷;試樣縱向剖面的條狀缺陷為孔洞;斷口上可見鋼水凝固時(shí)自由形成的表面(自由表面)特征。對(duì)斷口試樣進(jìn)行能譜分析，可見斷口處氧元素含量較高。

1.5 金相檢驗(yàn)

對(duì)2號(hào)試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：試樣裂紋均沿孔洞擴(kuò)展，裂紋周圍均可見孔洞;經(jīng)化學(xué)試劑腐蝕后，可見疏松附近組織為奧氏體；外壁處未見孔洞，試樣顯微組織為奧氏體，按GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》進(jìn)行晶粒度評(píng)定，結(jié)果為7級(jí)。

2、 綜合分析

904L不銹鋼為高合金含量鋼，該鋼的制造工藝要求較高，生產(chǎn)難度較大，在熱軋過程中易發(fā)生分層開裂和表層開裂等問題。904L不銹鋼的開裂形式主要為服役環(huán)境下的腐蝕開裂和焊接開裂等，原材料生產(chǎn)過程中很少發(fā)生開裂情況。由化學(xué)成分分析結(jié) 果可知，開裂荒管的Mo元素含量較低。Mo元素主要作用為提高904L不銹鋼在非氧化性酸中的耐腐蝕性，有效防止點(diǎn)蝕，對(duì)本次開裂無直接影響。由力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果可知，材料經(jīng)熱處理后力學(xué)性能符合技術(shù)要求。由宏觀觀察結(jié)果可知，裂紋非筆直線型，存在一定彎曲，裂紋周圍存在大小不一的孔洞，裂紋周圍管壁存在凹凸起伏，呈明顯的塑性變形特征形貌，說明穿孔工藝產(chǎn)生的應(yīng)力導(dǎo)致材料產(chǎn)生裂紋。由金相檢驗(yàn)結(jié)果可知，未開裂區(qū)域材料組織為奧氏體，晶粒度為7級(jí),晶粒較為細(xì)小均勻，說明穿孔工藝溫度正常。結(jié)合力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果和以往生產(chǎn)情況，判斷該荒管工藝流程無明顯問題。由SEM和能譜分析結(jié)果可知：裂紋打開后斷口可見明顯自由表面特征;自由表面處含有較高含量的氧元素，判斷該缺陷為疏松。疏松缺陷為鋼錠澆鑄過程中形成，經(jīng)過鍛造后未消除。綜合上述分析結(jié)果可知，開裂荒管穿孔前近內(nèi)表面存在疏松缺陷，在穿孔工藝的應(yīng)力作用下，發(fā)生沿疏松開裂。

3、 結(jié)論

荒管開裂的原因?yàn)椋夯墓艽┛浊埃鼉?nèi)表面存在疏松缺陷，在穿孔工藝的應(yīng)力作用下，沿疏松萌生裂紋，最終導(dǎo)致荒管開裂。

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