314不銹鋼

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314耐熱不銹鋼爐管焊縫處開裂原因分析

來源:至德鋼業 日期:2020-06-08 00:50:42 人氣:14

為分析某廠314耐熱不銹鋼爐管焊縫處產生橫向裂紋的原因,采用光學顯微鏡、激光共聚焦掃描顯微鏡、掃描顯微鏡和能譜分析等手段對爐管焊縫處的組織和成分進行表征和分析。試驗結果表明:不銹鋼焊縫處的組織呈樹枝晶分布,枝晶一次臂定向排布,基本平行與傳熱方向,一次臂長度200400μm。熱影響區母材奧氏體晶粒大小呈等軸晶,大小不均勻,晶界上有含Cr碳化物析出;焊縫為沿晶界橫向開裂,裂紋沿枝晶擴展,深度約為2μm,為結晶裂紋。分析認為,焊接接頭處熱應力是產生裂紋主要原因。焊接速度快慢是一個重要因素,焊接速度過大,焊接接頭部位的溫度梯度就很大,同時冷卻速度很快,則引起的熱應力就很大,致使焊縫極易產生裂紋。

奧氏體不銹鋼具有優良的耐腐蝕性及綜合力學性能,在石油、化工及其它工業部門得到廣泛應用,同時,將奧氏體不銹鋼作為焊接填充材料也越來越普遍。但是,奧氏體不銹鋼焊縫熱裂傾向大,在工程設計中已受到普遍關注。國內外不少學者結合不同的焊接材料和焊接方法對奧氏體不銹鋼焊接熱裂紋的分布規律及斷口特征開展了多方面的研究工作。在服役條件較惡劣的承壓設備檢驗中,裂紋是一種危害性較大的缺陷,常出現于各種加氫反應器內壁,換熱器殼體、管線鋼管等的焊接部位。焊接接頭處熱應力是產生裂紋主要原因。其中焊接速度快慢是一個重要因素,焊接過快,引起焊接接頭的溫度分布很不均勻,即溫度梯度很大,同時冷卻速度很快,則引起的熱應力就很大,致使焊縫極易產生裂紋。本文采用光學顯微鏡、激光共聚焦掃描顯微鏡、掃描顯微鏡和能譜分析等手段對314耐熱奧氏體不銹鋼爐管焊縫處的組織和成分進行表征和分析。

1試驗材料和方法

某不銹鋼公司生產的焊接爐管焊縫處出現橫向開裂,爐管材料為314耐熱不銹鋼。圖1是收到該公司樣品的照片,在標記處存在沿圓周的橫向裂紋。采用ZEISS公司ImagerA1m光學顯微鏡、ZEISS公司UL-TRA 55熱場發射掃描電鏡、FEI公司場發射環境掃描電鏡和OLYMPUS公司LEXT OLS4100激光共聚焦觀察微觀組織,通過ZEISS公司ULTRA 55熱場發射掃描電鏡配備的能譜分析儀表征晶界處物質成分。

在送檢的樣品上截取試樣,進行金相組織和裂紋微觀分析,采用鉬絲線切割方法,對送檢的樣品沿徑向和軸向取樣,軸向取樣上應有一個切割面經過焊縫處,徑向切割和軸向切割得到試樣如圖2所示。

由于截取的試樣小而不規則,為了方便金相觀察試樣的制備,采用冷鑲工藝將截取的試樣進行冷鑲,通過打磨、初磨、細磨和拋光制備成金相觀察試樣。

2試驗結果與分析

將徑向和軸向截面金相試樣,用王水浸蝕后,通過觀察基材、焊縫和熱影響區的微觀組織,并重點觀察裂紋的形態和尺寸特征,包括裂紋寬度、長度等尺寸特征,分析裂紋萌生和擴展情況。

21焊縫處微觀組織觀察結果

焊縫處的光學和掃描電鏡照片如圖3所示,其中圖3a,3b都是徑向截面焊縫處的光學顯微鏡照片,圖3c,3d為場發射掃描電鏡照片。從圖3可以明顯看出,焊縫組織呈枝晶形態,為焊接時小熔池凝固組織的典型特征,沿其傳熱方向生長,枝晶一次臂定向排布,基本平行于傳熱方向,一次臂長度200400μm,沿焊接母材向熔池內部生長,不少枝晶呈平行分布,形成類似柱狀晶。從圖3c,3d掃描電鏡照片可以看出,焊縫枝晶組織之間存在一些黑色(圖3b中的點AB)和白亮(圖3c3dAB點),可能是枝晶偏析引起的溶質元素富集而析出的第二相,或者是焊接局部小熔池凝固時枝晶間最后凝固,沒有充分的液體補縮而造成的顯微縮松。圖3e的組織(箭頭所指部位)能譜分析結果如圖4所示。

22熱影響區微觀組織觀察結果

對金相試樣進行觀察后發現焊縫材料與母材之間基本結合良好,如圖5所示。

5a是結合處的光學顯微鏡照片,圖5b,5c是掃描電鏡照片??梢钥闯?,焊縫組織與母材實現良好的冶金結合,焊接小熔池凝固時,焊縫組織以母材晶粒為基底,并沿傳熱方向生長,形成典型的枝晶組織。但是個別結合位置處可以明顯看到夾雜物,如圖5d,5e所示,能譜分析結果如圖6所示,其含有氧元素,可能為氧化物夾雜。

23母材處微觀組織觀察結果

母材處的微觀組織為單相奧氏體組織,其為等軸晶,如圖7所示。從圖7可以看出奧氏體等軸晶晶粒大小不均,晶粒尺寸在10~60μm,晶界上有二相質點析出,如圖5e所示。從高倍照片可以看出,母材的晶界上有第二相質點析出,呈桿狀分布,采用場發射的掃描電鏡配置的能譜儀分析其成分,如圖8所示,可見其含C,Cr,Fe都很高,分析認為是一種含鉻的碳化物。

24焊縫裂紋形貌觀察結果

肉眼細致觀察可以看見焊縫處存在沿圓周方向的微裂紋,其長度不等,大小不一,按照圖2的取樣方法,采用光學顯微鏡和掃描電鏡觀察焊縫表面、縱向截面和橫向截面的裂紋的形貌,如圖9是焊縫裂紋形貌觀察結果,其中圖9a,9b,9c是軸向截面觀察到的裂紋,圖9d是橫向截面外緣處的裂紋。從圖9可以看出焊縫裂紋呈曲折狀,基本沿著凝固結晶的樹枝晶晶界擴展,如圖9b,9d所示,該裂紋與一般鑄件中熱裂紋形貌一致。

另外,從圖9還可以看出,裂紋是從焊縫的表面或次表面沿焊管徑向向內部擴展,焊管徑向上的裂紋長度200500μm,裂紋寬度最大約為20μm。

根據所觀察的現象,結合一般金屬凝固理論分析,可以判定本報告分析的不銹鋼焊管焊縫裂紋是一種高溫下形成的裂紋,即熱裂紋,本裂紋更確切地說應為結晶裂紋。

為了更好地分析裂紋的形態,尤其是其深度,采取激光共聚焦掃描顯微鏡進行三維觀察,如圖10所示。其中圖10a為橫向截面內部的一條完整裂紋,10b10a圖示位置的局部掃描圖,10c10b的高度分布圖。從圖中可以看出裂紋的三維形態,深度方向大約為2μm。

3分析討論

綜上所述,在不同倍數的光學顯微鏡、掃描顯微鏡和激光共聚焦掃描、觀察下對母材及熱影響區和焊縫、裂紋處組織進行金相分析,焊縫是由局部熔池凝固成形,為單一奧氏體組織,凝固時以母材為襯底,以樹枝晶方式長大,形成沿傳熱方向的樹枝晶組織,樹枝晶主干先凝固。由于溶質元素凝固時存在平衡分配,在最后凝固的枝晶之間富集固溶元素和低熔點的P,SO夾雜物,在一定應力作用下很容易成為熱裂紋的裂紋源,再沿樹枝晶晶界擴展。

由于焊接時焊接點存在高溫區,而本送檢的不銹鋼為奧氏體型,C,Cr,Ni,Si的含量比一般奧氏體型不銹鋼高,變形抗力大,屬于低塑性難變形鋼種。與其它不銹鋼相比,奧氏體不銹鋼的熱導率低,具有較高的熱裂紋敏感性,在焊縫及近縫區都有產生熱裂紋的可能性。奧氏體不銹鋼的物理特性是熱導率小、線膨脹系數大,因此在焊接局部加熱和冷卻條件下,焊接接頭部位存在較大的溫度梯度,焊縫金屬及近縫區在高溫時,會承受較高的拉伸應力和拉伸應變,導致產生熱裂紋的基本條件,如圖11所示。

分析可知焊接接頭處熱應力是產生裂紋主要原因,裂紋是由于受到軸向熱應力產生的。此外焊接速度快慢也是一個重要因素,焊接過快引起焊接接頭的溫度分布很不均勻,即溫度梯度很大,同時冷卻速度很快,產生的熱應力就很大,焊縫極易產生裂紋。奧氏體不銹鋼一般不需焊前預熱及后熱,如沒有應力腐蝕或結構尺寸穩定性等特別要求時,也不需焊后熱處理,但為防止焊接熱裂紋的發生和熱影響區的晶粒長大以及碳化物析出,保證焊接接頭的塑韌性和耐蝕性,則應控制較低的層間溫度。

5結論

1)送檢的不銹鋼焊管母材組織為奧氏體,晶粒呈等軸晶,大小不均勻,晶界上有含Cr碳化物析出。

2)送檢的不銹鋼焊管焊縫的組織為奧氏體,呈樹枝晶分布,枝晶一次臂定向排布,基本平行于傳熱方向,一次臂長度200400μm。

3)金相檢查發現焊縫組織與母材之間結合良好,焊縫組織以母材晶粒為基底,并沿傳熱方向生長,形成枝晶組織。

4)焊縫裂紋沿焊管基本分布在焊管的圓周方向,通過光學顯微鏡、掃描顯微鏡和激光共聚焦掃描觀察焊縫裂紋形態,發現裂紋沿枝晶擴展,深度約為2μm,呈熱裂紋特征,經判定為一種高溫下形成的裂紋,即結晶裂紋。

5)在焊接接頭處的熱應力是產生焊接裂紋的主要原因。

本文標簽:314耐熱不銹鋼爐管 

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