11Cr超純鐵素體不銹鋼管焊縫開裂原因分析

   浙江至德鋼業(yè)有限公司通過使用宏觀觀察、金相分析、斷口分析和電子背散射衍射等分析手段對(duì)鐵素體不銹鋼管焊后彎管開裂的原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明焊縫區(qū)域晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)的胞狀組織和未完成多邊形化的亞晶是導(dǎo)致汽車排氣管焊縫區(qū)域韌性下降、硬度升高的原因,最后在彎管成型時(shí),焊縫處受到拉應(yīng)力導(dǎo)致開裂。從焊縫處發(fā)現(xiàn)的晶粒內(nèi)存在的大量的未完成多邊形化的亞晶這一現(xiàn)象推斷出問題所在,通過改進(jìn),消除了彎管成型開裂的情況。由于不銹鋼材其優(yōu)異的耐蝕性、耐熱性和漂亮的外觀近年來已經(jīng)逐步代替鑄件或碳素鋼成為各大汽車制造商用以制作汽車排氣系統(tǒng)的首選。汽車排氣系統(tǒng)主要由七個(gè)部件組成,按與發(fā)動(dòng)機(jī)距離由近至遠(yuǎn)的順序依次為排氣歧管、前管、撓性管、催化轉(zhuǎn)化器、中心管、主消音器及其尾管。排氣管零件加工工藝以焊管的彎管,擴(kuò)口,擴(kuò)徑工藝為主,此次失效分析針對(duì)的就是上海某汽車制造廠在使用11Cr超純鐵素體不銹鋼管制作尾管時(shí)發(fā)生開裂的原因作出了分析,進(jìn)行改進(jìn)后,效果良好。

一、試驗(yàn)方法

   首先對(duì)排氣管開裂位置和開裂形貌進(jìn)行宏觀觀察,之后制取開裂的汽車排氣管斷口試樣,進(jìn)行掃描電子顯微鏡的斷口形貌觀察,以確定其斷裂方式。完成后制取該廠失效樣件開裂處汽車排氣管截面金相試樣,經(jīng)過研磨、拋光后進(jìn)行非金屬夾雜物等級(jí)評(píng)定;使用FeCl3溶液腐蝕后，在Zeiss400金相顯微鏡下觀察其組織;在未經(jīng)過彎曲變形的焊縫處截取20mm×20mm的試樣,經(jīng)研磨后,使用5%高氯酸酒精溶液進(jìn)行電解拋光以去除表面形變層,使用安裝在烏燈絲掃描電子顯微鏡上的OIMXM4(EDAX公司)系統(tǒng)對(duì)電解樣截面進(jìn)行菊池花樣采集,最后使用數(shù)據(jù)分析軟件計(jì)算分析。

二、試驗(yàn)結(jié)果

 1. 宏觀形貌

   圖為高頻電阻焊管在焊接完成后彎曲開裂的宏觀形貌圖,由圖可以看到,裂紋位于焊縫處,裂紋沿焊接方向分布,管外壁觀察到裂紋長(zhǎng)度約1mm,管內(nèi)壁觀察到長(zhǎng)度約3mm。

 2. 斷口形貌

   對(duì)開裂樣的斷口進(jìn)行了二次電子像形貌觀察,并在斷口內(nèi)部發(fā)現(xiàn)由較多解理階組成的!河流花樣V的斷口形貌,為典型的脆性斷口,同時(shí)在斷口內(nèi)部發(fā)現(xiàn)有較多二次裂紋，并且大多數(shù)二次裂紋為穿晶裂紋。彎管成型對(duì)于材料成形性的要求其實(shí)并不高,屬于小形變的冷加工成型,在這種情況下發(fā)生開裂并且斷口呈現(xiàn)解理斷口形貌,說明焊縫處組織的塑、韌性已經(jīng)惡化。

 3. 夾雜物評(píng)級(jí)及其顯微組織

   對(duì)開裂樣焊縫處進(jìn)行非金屬夾雜物評(píng)級(jí),評(píng)定后可知開裂樣焊縫處夾雜物含量水平較低,根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T10561-2005,等級(jí)評(píng)定結(jié)果為D類(球狀氧化物類)細(xì)系一級(jí),同時(shí)并沒有發(fā)現(xiàn)其它類型的夾雜物,所以可以初步判斷夾雜物并不是此次造成焊縫處韌性下降,最后導(dǎo)致彎管后開裂的的主要原因。對(duì)焊縫處進(jìn)行腐蝕后,觀察其金相顯微組織,發(fā)現(xiàn)焊縫處晶粒度為8~9級(jí),晶粒細(xì)小,有輕度的晶粒不均的現(xiàn)象,同時(shí)在鐵素體晶粒內(nèi)部發(fā)現(xiàn)有較多類似于微裂紋的異常線條，且該線條呈網(wǎng)狀分布,將鐵素體晶粒分割成小塊。

4. 電子背散射衍射(EBSD)分析

   鑒于電子背散射衍射對(duì)晶體材料取向的高精度分辨,同時(shí)為了確認(rèn)在金相顯微鏡中發(fā)現(xiàn)的異常黑色線條的性質(zhì),對(duì)開裂樣焊縫處進(jìn)行了電子背散射衍射分析，圖為電子背散射衍射成像質(zhì)量圖，從圖中可以看到晶界分布主要由取向差大于15#的大角度晶界和取向差小于5#的小角度晶界組成,由金相觀察發(fā)現(xiàn)的異常線條為取向差小于5#的小角度晶界,即我們通常稱作的亞晶界,同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)該亞晶界以網(wǎng)狀分布,部分亞晶界還沒有連接成網(wǎng)狀呈斷續(xù)分布。從圖中可以明顯的看到,晶粒內(nèi)部的大部分亞晶界還沒有完成正負(fù)位錯(cuò)的對(duì)消，晶界較粗且不清晰,所以從本質(zhì)上來說,它是一種位錯(cuò)的胞狀組織向亞晶界過度的中間狀態(tài)。

三、討論

 1. 亞晶結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理

   相關(guān)文獻(xiàn)表明,金屬在熱變形過程中變形晶粒會(huì)通過回復(fù)轉(zhuǎn)變到能量較低的狀態(tài),在這期間晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)密度會(huì)有所下降,并形成某種特殊的位錯(cuò)結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為小角度晶界位錯(cuò)網(wǎng),即所謂多邊形化的結(jié)構(gòu)。從圖的電子背散射衍射分析結(jié)果可以看到,焊縫區(qū)鐵素體晶粒內(nèi)分布有較多這種小角度晶界且呈網(wǎng)狀分布,以此可以判斷在鐵素體晶粒內(nèi)部發(fā)現(xiàn)的黑色網(wǎng)狀線條其實(shí)為金屬在變形過程中發(fā)生的亞晶的規(guī)整化。此次采用的是高頻電阻焊接工藝,通常來說,焊縫區(qū)域由于較大的過冷度,且板材厚度較小,焊縫處組織較為細(xì)小且均勻,但是從缺陷試樣焊縫區(qū)域組織內(nèi)含有大量位錯(cuò)胞狀組織和未完成多邊形化的亞晶這一現(xiàn)象可以推斷,在焊接過程中焊縫處受到應(yīng)力而發(fā)生了變形,過程中發(fā)生的加工硬化通過不完全回復(fù)形成了這種組織,而保留至室溫?；貜?fù)過程可分為低溫回復(fù)、中溫回復(fù)、高溫回復(fù)。其中約化溫度TH=加熱溫度T(K)/金屬熔點(diǎn)Tm(K)，而此次焊縫處是使用水冷的方式進(jìn)行的,冷卻能力較強(qiáng),所以在冷卻后焊縫處仍然處于大于0.5TH溫度區(qū)間的可能性較小,而低溫回復(fù)一般來說只與空位、間隙原子等點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)有關(guān),不會(huì)形成這種小角度晶界位錯(cuò)網(wǎng)。分析后推斷焊縫區(qū)域在受力后處于中溫回復(fù)區(qū)間即0.3<TH<0.5,而形成了網(wǎng)狀的亞晶組織。從機(jī)理上來講中溫回復(fù)仍與點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)有關(guān),但由于回復(fù)溫度較高,金屬中的位錯(cuò)因熱激活開始滑移,并成為中溫回復(fù)的主要機(jī)制,其主要表現(xiàn)有兩種:同一滑移面上異號(hào)位錯(cuò)的對(duì)消,亞晶規(guī)整化,即在塑性變形所形成的位錯(cuò)胞內(nèi),位錯(cuò)滑向胞壁,并與胞壁內(nèi)的異號(hào)位錯(cuò)對(duì)消,使胞壁因位錯(cuò)密度下降變窄和清晰而形成亞晶界,位錯(cuò)胞也因此形成規(guī)整的亞晶粒。

   以上是等溫回復(fù)的組織變化情況,然而實(shí)際上材料在焊接并水冷后,焊縫處一直處于空冷狀態(tài),所以在經(jīng)過一定時(shí)間的中溫回復(fù)后,焊縫處便冷卻至低溫回復(fù)溫度區(qū)間,位錯(cuò)的熱激活進(jìn)一步下降,滑移面上的異號(hào)位錯(cuò)的對(duì)消和亞晶的規(guī)整化便停滯下來。焊縫處的電子背散射衍射分析便可以證明這一點(diǎn),從圖中的兩部分的成像質(zhì)量圖可以看到焊縫處鐵素體晶粒內(nèi)的亞晶規(guī)整化程度并不一致,大部分區(qū)域的亞晶較粗且不清晰,尚未完成大量的異號(hào)位錯(cuò)的對(duì)消,中溫回復(fù)并不完全。

2. 開裂原因及其改進(jìn)措施

   眾所周知鐵素體晶粒內(nèi)部發(fā)現(xiàn)的多邊形化的亞晶對(duì)提高材料的硬度有較大的作用,同時(shí)一般情況下也不會(huì)對(duì)材料的塑韌性有惡化的作用,因?yàn)榫Ы缭谝欢ǔ潭壬隙加袑?duì)裂紋擴(kuò)展有阻礙作用,然而本次焊縫開裂的情況卻有所不同,焊縫處在水冷后所經(jīng)歷的變化其實(shí)與熱處理中稱為低溫形變熱處理工藝。有著一定的相似之處,不同之處在于后者采用等溫時(shí)效,而前者的溫度是緩慢下降的,這種工藝的優(yōu)點(diǎn)是能夠獲得較高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度,缺點(diǎn)是塑韌性會(huì)有所下降,而焊縫處由于溫度持續(xù)降低,所以回復(fù)過程發(fā)生的并不完全,塑韌性的下降將更為明顯,最后在成型時(shí)發(fā)生開裂。通過調(diào)查現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝得知,焊接完成后焊縫處將受到材料彎曲后兩側(cè)的回彈力的影響,即材料彎曲后要釋放掉彈性變形段所受的力,而屈服強(qiáng)度越高,材料受到變形后所要釋放掉的力也就越大,即回彈力也就越大。經(jīng)數(shù)據(jù)盤查發(fā)現(xiàn)此次出現(xiàn)問題的材料的屈服強(qiáng)度比原先樣提高了20MPa,所以導(dǎo)致了回彈力增大,而回彈力大時(shí),原先的擠壓力不能將縫隙擠壓到位,使得后面定徑時(shí)對(duì)焊縫有較大擠壓,造成加工硬化,使焊縫區(qū)域脆性進(jìn)一步加大。為了解決回彈力過大所造成的一系列問題,在工藝上做出了一系列的調(diào)整,調(diào)整后焊縫處基本消除了回彈力的影響,試制一批焊管并成型后無一發(fā)生開裂的現(xiàn)象,同時(shí)從金相組織上來看也基本消除了晶粒含有亞晶組織的現(xiàn)象。