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,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)主要由七個部件組成,按與發(fā)動機(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、試驗方法

   首先對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評定;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)分析軟件計算分析。

二、試驗結(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度約1mm,管內(nèi)壁觀察到長度約3mm。

 2. 斷口形貌

   對開裂樣的斷口進(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。彎管成型對于材料成形性的要求其實并不高,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. 夾雜物評級及其顯微組織

   對開裂樣焊縫處進(jìn)行非金屬夾雜物評級,評定后可知開裂樣焊縫處夾雜物含量水平較低,根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T10561-2005,等級評定結(jié)果為D類(球狀氧化物類)細(xì)系一級,同時并沒有發(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,晶粒細(xì)小,有輕度的晶粒不均的現(xiàn)象,同時在鐵素體晶粒內(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晶體材料取向的高精度分辨,同時為了確認(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)位錯的對消，晶界較粗且不清晰,所以從本質(zhì)上來說,它是一種位錯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)部的位錯密度會有所下降,并形成某種特殊的位錯結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為小角度晶界位錯網(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。回復(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、間隙原子等點缺陷的運(yùn)動有關(guān),不會形成這種小角度晶界位錯網(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)仍與點缺陷的運(yùn)動有關(guān),但由于回復(fù)溫度較高,金屬中的位錯因熱激活開始滑移,并成為中溫回復(fù)的主要機(jī)制,其主要表現(xiàn)有兩種:同一滑移面上異號位錯的對消,亞晶規(guī)整化,即在塑性變形所形成的位錯胞內(nèi),位錯滑向胞壁,并與胞壁內(nèi)的異號位錯對消,使胞壁因位錯密度下降變窄和清晰而形成亞晶界,位錯胞也因此形成規(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,位錯的熱激活進(jìn)一步下降,滑移面上的異號位錯的對消和亞晶的規(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,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位錯的對消,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提高材料的硬度有較大的作用,同時一般情況下也不會對材料的塑韌性有惡化的作用,因為晶界在一定程度上都有對裂紋擴(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效,而前者的溫度是緩慢下降的,這種工藝的優(yōu)點是能夠獲得較高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度,缺點是塑韌性會有所下降,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,最后在成型時發(fā)生開裂。通過調(diào)查現(xiàn)場焊接工藝得知,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,原先的擠壓力不能將縫隙擠壓到位,使得后面定徑時對焊縫有較大擠壓,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。