904L奧氏體型不銹鋼具有較為優異的抗酸蝕性能,在涉及磷酸及硫酸等強腐蝕環境的化工行業應用廣泛,可以用作管道、泵、閥、容器設備以及攪拌設備的主體材料或與介質接觸部分的材料[1]。某公司生產904L不銹鋼荒管的工藝流程為：鋼錠表面質量檢驗→鍛造(二火鍛造開鍛溫度不低于1 100 ℃,停鍛溫度不低于850 ℃)成圓鋼→空冷→鋸切扒皮成短圓鋼→加熱(1 080 ℃)→穿孔成尺寸為210 mm×18 mm(直徑×長度)的荒管→水冷。該公司在對某批荒管進行水冷之后的表面質量檢查時,發現其內壁存在裂紋。筆者采用一系列理化檢驗方法分析該荒管開裂原因,以避免該類問題再次發生。 

1.   理化檢驗

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。 

圖  1  開裂荒管宏觀形貌

在圖2所示位置截取1號和2號試樣,將試樣磨拋后置于體視顯微鏡下觀察,結果如圖3所示。由圖3可知：1號試樣橫向剖面裂紋長度約為6.4 mm,裂紋周圍存在大小不一的孔洞；2號試樣橫向剖面主裂紋旁存在大量的細小條狀缺陷,距管內壁表面約8 mm處縱向截面可見細小條狀缺陷。 

圖  2  取樣位置示意

圖  3  1號和2號試樣體視顯微鏡下形貌

1.2   化學成分分析

采用紅外碳硫儀和直讀光譜儀對荒管進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知：荒管中Mo元素含量略低于ASTM A240/240M－22 《壓力容器和一般應用用鉻和鉻鎳不銹鋼板、薄板和帶材標準規范》的要求。 

1.3   力學性能測試

在開裂荒管上截取試樣,依據GB/T 228.1—2021 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》和GB/T 230.1—2018 《金屬材料 洛氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》對試樣進行拉伸試驗和洛氏硬度測試,結果如表2所示。由表2可知：荒管的力學性能滿足產品技術要求。 

1.4   掃描電鏡(SEM)及能譜分析

在2號試樣的橫向和縱向剖面上取樣,用掃描電鏡對試樣進行觀察,然后將2號試樣沿裂紋人工打開,利用掃描電鏡觀察其斷口,結果如圖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自由形成的表面(自由表面)特征。對斷口試樣進行能譜分析,分析位置如圖4d)所示,分析結果如圖5所示,可見斷口處氧元素含量較高。 

圖  4  2號試樣剖面和斷口SEM形貌及斷口能譜分析位置

圖  5  斷口試樣能譜分析結果

1.5   金相檢驗

對2號試樣進行金相檢驗,結果如圖6所示。由圖6可知：試樣裂紋均沿孔洞擴展,裂紋周圍均可見孔洞；經化學試劑腐蝕后,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 《金屬平均晶粒度測定方法》進行晶粒度評定,結果為7級。 

圖  6  2號試樣的金相檢驗結果

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,生產難度較大,在熱軋過程中易發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境下的腐蝕開裂和焊接開裂等,原材料生產過程中很少發生開裂情況。由化學成分分析結果可知,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,有效防止點蝕,對本次開裂無直接影響。由力學性能測試結果可知,材料經熱處理后力學性能符合技術要求。由宏觀觀察結果可知,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,說明穿孔工藝產生的應力導致材料產生裂紋。由金相檢驗結果可知,未開裂區域材料組織為奧氏體,晶粒度為7級,晶粒較為細小均勻,說明穿孔工藝溫度正常。結合力學性能測試結果和以往生產情況,判斷該荒管工藝流程無明顯問題。由SEM和能譜分析結果可知：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,經過鍛造后未消除。綜合上述分析結果可知,開裂荒管穿孔前近內表面存在疏松缺陷,在穿孔工藝的應力作用下,發生沿疏松開裂。 

3.   結論

荒管開裂的原因為：荒管穿孔前,近內表面存在疏松缺陷,在穿孔工藝的應力作用下,沿疏松萌生裂紋,最終導致荒管開裂。

文章來源——材料與測試網