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大口径厚壁不锈钢管的疲劳极限及断口分析

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-05-28  浏览次数:33 选择视力保护色:

[摘要]中华不锈钢网这样的报道:含碳量低于0.15%的13%铬厚壁不锈钢管的软化方法有两种:当不要求把硬度降至最低时,可采用高温回火的方

中华不锈钢网这样的报道:含碳量低于0.15%的13%铬厚壁不锈钢管的软化方法有两种:当不要求把硬度降至最低时,可采用高温回火的方法,加热至750—800℃,保温1—3小时,在空气中冷却,这样处理后的硬度可降至HB170~200;当需要使硬度更低时,可加热至850—900℃保温1~3小时后,缓冷(15~20℃/小时)至600℃,然后在空气中冷却,这样可使硬度降至HB160。亦可采用等温退火的方法降低硬度,如加热至900℃保温后,在725℃等温l小时后于空气中冷却,但实际生产中采用较少。
  
  含碳0.2—0.4%的l3%铬厚壁不锈钢管的软化处理,可采用750—800℃保温2~8小时进行高温回火,硬度为HB170~200;或在875~900℃保温1—2小时,缓冷(15~20℃/小时)至600℃再于空气中冷却,硬度亦可降至HB170~200。也可根据奥氏体厚壁不锈钢管等温转变曲线及要求的硬度进行等温退火软化。
  
  退火状态的l3%铬厚壁不锈钢管的组织为富铬的铁素体与碳化物,碳化物的类型是(Cr,Fe) 23C6。两张照片都是lCr13钢退火后的组织,图3-lb为热轧后缓慢冷却以后的组织,图中尚可见到循轧制变形方向分布的铁素体,目前供应状态的1Cr13厚壁不锈钢管热轧钢坯及型材多系这种状态;热轧后经860℃退火以后的组织,碳化物沿铁素体晶界呈网络状分布。
  
  中华不锈钢网这样的报道:退火状态的13%铬厚壁不锈钢管的机械性能很低,耐腐蚀性能也不高。
  
  退火状态的13%铬厚壁不锈钢管的耐腐蚀性能低与退火状态的组织有密切关系,这可从两方面来理解:一是因为在退火状态下,钢中的碳可以充分与铬结合成碳化铬,使铁素体基体中的含铬量降低。我们已经讲过当形成Cr23C6型碳化物时,铬碳比为17,设若13%铬不锈钢中含有0. 3%的碳时,退火状态如碳化铬形成得很充分的话,碳化物的总铬量可达5.1%,基体中的含铬量则降至7.9%,因此耐腐蚀性能降低。所以从图3-2还可看出,退火状态的13%铬不锈钢的耐腐蚀性能,随钢中含碳量的增加降低得更为明显。另一方面由于退火组织中存在大量的碳化物,碳化物附近的基体处于贫铬状态,在腐蚀介质中碳化物与其周围的基体的电极电位不同,富铬的碳化物为阴极,贫铬区为阳极,大量微电池的存在,加速了厚壁不锈钢管的腐蚀。
  
  厚壁不锈钢管压力加工在工业上应用非常广泛。厚壁钢管厂的产品大约75%以上是经过轧制的;在机械制造厂中,也广泛地采用锻造、冲压。这些工艺,尤其是冷轧、冷挤、热轧等新工艺的应用,其目的不仅是为了使厚壁管车件产品成型,而且很重要的是使其组织和性能得到改善。如制造一般小截面(<10毫米)弹簧,往往要进行冷拔、冷辗,然后再卷成弹簧,就是为了使弹簧获得高强度。
  
  一、冷压力加工过程中厚壁不锈钢管组织性能的变化
  
  厚壁钢管具有多晶体的结构,由于各晶粒之间方位的不同和晶界的存在,使其变形比单晶体复杂得多,同时对机械性能也有很大影响。如冲制汽车驾驶室用钢管,既要保证钢管具有良好的塑性,又要保证冲压后零件表面光洁,所以一方面选用含碳量低的厚壁不锈钢管,如08、08F、08Al、10等,另一方面要求冲压厚壁钢管应具有细而均匀的晶粒(厚度在2毫米以下的钢管,晶粒度最好在6~8级之间,晶粒度级别见图)。这是什么原因呢?下面分别加以说明。
  
  多晶体厚壁不锈钢管变形的特点
  
  1、晶界及晶粒方位的影响  为了说明晶界的影响,我们用两个晶粒所组成的厚壁不锈钢管试样,进行拉力试验,来观察它的变形情况。如图所示,其变形的特点是,在远离夹头和晶界的地方,晶体显著颈缩,而在靠近晶界的地方,其截面则几乎保持不变,这种现象通常称为“竹节现象”。
  
  由此可见,厚壁不锈钢管在晶界处的塑性变形抗力远较晶体(晶粒)本身的抗力为高,显然,这是由于在晶界处晶格的歪扭程度较大,而使滑移不易进行。
  
  同时,因各晶粒的方位不同,若某一晶粒中要发生滑移,必然会受到它周围方位不同的晶粒的影响,它也必须克服这些阻力才能继续发生滑移。
  
  中华不锈钢网这样的报道:由此可见,厚壁不锈钢管的性能,不仅与晶格类型有关,而且与晶粒大小有关。厚壁钢管的晶粒愈细,晶界面积及其不同方位的晶粒愈多,厚壁不锈钢管对塑性变形的抗力就愈高,因而其强度和硬度便愈高。因此,如果冲压钢管的晶粒过细,会使钢管强度、硬度增加,而降低冲模的寿命。
  
  另一方面,晶粒愈细,塑性也愈大,因为塑性变形时,总的变形量是各晶粒滑移所得效果的总和。晶粒愈细,可能发生滑移的晶粒增多,变形可以分散在更多的晶粒内进行,故塑性愈大。因此,如果冲压厚壁钢管的晶粒粗大,会使冲压性能恶化,甚至出现裂纹。
  
  2、多晶体变形的不均匀性塑性变形是在切应力作用下引起的。在与拉应力呈45°角的方向上的切应力最大,此处厚壁不锈钢管最易发生滑移。由于晶粒之间方位的不同,各晶粒的应力状态不同。即使是在单向均匀拉伸的情况下,有的受拉应力,有的受压应力;有的变形大,有的变形小;有的已开始塑性变形,有的还处于弹性变形阶段。其结果是塑性变形引起多晶体内部产生应力。晶粒大小不均匀,更加引起变形不均匀,所产生应力更大,从而促使厚壁不锈钢管在冲压时容易发生裂纹,同时厚壁钢管表面亦显得极其粗糙(似橘皮状)。
  
  如各种发动机曲轴、机床主轴、齿轮、各种滚动轴承等。大口径不锈钢管材料在小于以下的重复交变应力作用下发生断裂的现象称为“大口径不锈钢管的疲劳”。
  
  (一)疲劳极限实践证明,材料所受重复或交变应力 与其断裂前的应力循环次数Ⅳ有如图1-16所示的曲线关系。该曲线称为“疲劳曲线”或o-一Ⅳ曲线。从曲线可以看出,应力最大值 愈低,则断裂前的循环次数Ⅳ愈多。当应力降至某一定值后,疲劳曲线与横坐标轴平行,即表示在一定条件下当应力最大值低于某一定值时,材料可能经受无限次应力循环而仍不发生疲劳断裂。此应力值叫做“疲劳极限”。当应力循环对称时。对厚壁不锈钢管来说,如N达100~107次仍不发生疲劳断裂,则可认为随着Ⅳ的继续增加,将不会再发生疲劳断裂了。因此可以采用Ⅳ=107为基数,确定大口径不锈钢管的疲劳极限。对于有色大口径不锈钢管,一般则需规定应力循环次数在108或更多周次才能确定其疲劳极限。
  
  (二)疲劳断口分析疲劳断口一般由两部分组成。一部分是疲劳裂纹扩展部分,其特征是因经过摩擦而较光滑,有时并可观察到若干弧形或放射形的特征。另一部分是突然断裂部分。从疲劳断口的特征可以看出,疲劳裂纹的发生和发展与大口径不锈钢管内部结构的变化有关。
  
  中华不锈钢网这样的报道:疲劳断裂的过程:现在一般认为在重复或交变应力作用下,其应力值虽然远小于其抗拉强度,但厚壁不锈钢管材料表面层某些晶粒,由于位向或其他原因造成大于  的应力,产生局部塑性变形而导致微裂纹,或由于材料表面有夹杂、划痕及其他造成应力集中的缺陷,而导致微裂纹的产生。这种微裂纹随应力循环次数的增加而逐渐扩展,直至最后未裂的截面大大减小,以致不能承受所加载荷而突然断裂。
  
  如上所述,为了提高大口径厚壁不锈钢管的疲劳极限,除了改善其结构形状,避免应力集中外,还可以通过提高零件表面加工光洁度和采取各种表面强化的方法来达到。表面层形成的残余应力对疲劳极限的影响非常大。一般来说,表面层存在压应力可使零件工作时产生疲劳裂纹的拉应力值降低,从而大大提高其疲劳极限。

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