45#鋼管斷裂原因分析

1、45#鋼管斷裂原因分析目錄1 .引言1.1.1 45橢岡簡介1.1.1.1 物理參數(shù)1.1.1.2 化學(xué)成分1.1.1.4 鋼的熱處理簡介1.1.1.5 熱處理后力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)31.2 鋼管主要生產(chǎn)工藝3.1.3 材料的斷裂失效4.1.3.1 斷裂簡介4.1.3.2 斷裂的類型及斷口特征4.1.3.3 韌性斷裂與脆性斷裂.4.1.3.4 穿晶（晶界）斷裂與沿晶斷裂51.3.5 剪切斷裂和解理斷裂5.2 .實(shí)驗(yàn)內(nèi)容7.2.3 試驗(yàn)樣品及儀器7.2.3.1 試驗(yàn)樣品7.2.3.2 試劑及藥品7.2.3.3 實(shí)驗(yàn)儀器8.2.4 實(shí)驗(yàn)過程8.2.4.1 金相及硬度檢測(cè)8.2.4.1.1 金相試樣的線切割

2、制備8.2.4.1.2 金相試樣的粗磨及拋光9.2.4.1.3 腐蝕9.2.4.1.4 金相檢測(cè)9.2.4.1.5 硬度檢測(cè)9.2.4.2 斷裂試樣的掃描檢測(cè)1.02.4.2.1 斷面預(yù)處理1.02.4.2.2 試樣斷口掃描1.03實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論113.1 斷口形貌分析1.13.2 金相組織分析1.23.3 硬度分析13結(jié)論15參考文獻(xiàn)錯(cuò)誤!未定義書簽45#鋼管斷裂原因分析1 .引言1.1 45#1岡簡介45號(hào)鋼，是GB中的叫法，JIS中稱為：S45C,ASTK稱為1045,080M46,DIN稱為：C45。國內(nèi)常叫45號(hào)鋼，也有叫“油鋼”。一般，市場(chǎng)現(xiàn)貨熱軋居多。冷軋規(guī)格1.0至4.0m

3、m之間1.1.1物理參數(shù)熔點(diǎn)Tm1495c密度p7.85g/cm3彈性模量E210GPa泊松比小0.2691.1.2化學(xué)成分除Fe之外，其他元素及含量如下兀素名稱含量C0.42%0.50%Si0.17%0.37%Mn0.50%0.80%Cr<0.25%Ni<0.30%Cu<0.25%1.1.4鋼的熱處理簡介45#鋼為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，含C量為0.45%,屬中碳鋼，其優(yōu)點(diǎn)是硬度不高但易于切削加工，缺點(diǎn)是淬火性能不好，所以如果需要表面硬度較高，又希望發(fā)揮45#剛優(yōu)越的機(jī)械性能，常將45#鋼作調(diào)質(zhì)（先850c正火，再840c淬火加600c回火處理）加表面淬火（加熱溫度視情況而定，約8

4、60c左右進(jìn)行淬火）處理，而不是滲碳加淬火，這樣雖然前者獲得的表面耐磨性比后者稍低，但保證了其芯部耐沖擊的性能。正火，又稱?；菍⒐ぜ訜嶂罙c3（A火是指加熱時(shí)自由鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的終了溫度,一般是從727c到912c之間）或Acme（Acme是實(shí)際加熱中過共析鋼完全奧氏體化的臨界溫度線）以上3050C,保溫一段時(shí)間后，從爐中取出在空氣中或噴水、噴霧或吹風(fēng)冷卻的金屬熱處理工藝。其目的是在于使晶粒細(xì)化和碳化物分布均勻化。正火與退包勺不同點(diǎn)是正火冷卻速度比退火冷卻速度稍快，因而正火組織要比退火組織更細(xì)一些，其機(jī)械性能也有所提高。另外，正火爐外冷卻不占用設(shè)備，生產(chǎn)率較高，因此生產(chǎn)中盡可能采

5、用正火來代替退火。對(duì)于形狀復(fù)雜的重要鍛件，在正火后還需進(jìn)行高溫回火（550-650C）高溫回火的目的在于消除正火冷卻時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力，提高韌性和塑性。鋼的熱處理種類分為整體熱處理和表面熱處理兩大類。常用的整體熱處理有退火，正火、淬火和回火；表面熱處理可分為表面淬火與化學(xué)熱處理兩類。正火是將鋼件加熱到臨界溫度以上30-50C,保溫適當(dāng)時(shí)間后，在靜止的空氣中冷卻的熱處理工藝稱為正火。正火的主要目的是細(xì)化組織，改善鋼的性能，獲得接近平衡狀態(tài)的組織。正火與退火工藝相比，其主要區(qū)別是正火的冷卻速度稍快，所以正火熱處理的生產(chǎn)周期短。故退火與正火同樣能達(dá)到零件性能要求時(shí)，盡可能選用正火。大部分中、低碳鋼的坯料一

6、般都采用正火熱處理。一股合金鋼坯料常采用退火，若用正火，由于冷卻速度較快，使其正火后硬度較高，不利于切削加工。45#鋼為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，含C量為0.45%,屬中碳鋼，其優(yōu)點(diǎn)是硬度不高但易于切削加工，缺點(diǎn)是淬火性能不好，所以如果需要表面硬度較高，又希望發(fā)揮45#剛優(yōu)越的機(jī)械性能，常將45#鋼作調(diào)質(zhì)（先850c正火，再840c淬火加600c回火處理）加表面淬火（加熱溫度視情況而定，約860c左右進(jìn)行淬火）處理，而不是滲碳加淬火，這樣雖然前者獲得的表面耐磨性比后者稍低，但保證了其芯部耐沖擊的性能1.1.5熱處理后力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度bb600MPa屈服強(qiáng)度0-s355WPa伸長率616%斷面收縮率4

7、-40%沖擊功Ak39J1.2 鋼管主要生產(chǎn)工藝無縫鋼管的生產(chǎn)方法，大致分為斜軋法（孟內(nèi)斯曼法）和擠壓法。斜軋法（孟內(nèi)斯曼法）是先用斜軋輾將管壞穿孔，然后用軋機(jī)將其延伸。這種方法生產(chǎn)速度快，但對(duì)管坯的可加工性要求較高，主要適用于生產(chǎn)碳素鋼和低合金鋼管。擠壓法則是用穿孔機(jī)將管坯或鋼錠穿孔，再用擠壓機(jī)擠壓成鋼管，這種方法比斜軋法效率低，適用于生產(chǎn)高強(qiáng)度合金鋼管。斜軋法和擠壓法都必須先將管坯或鋼錠加熱，生產(chǎn)的鋼管稱為熱軋管。用熱加工法生產(chǎn)的鋼管有時(shí)候可根據(jù)需要再進(jìn)行冷加工。冷加工有兩種方法：一種是冷拔法，就是將鋼管通過拔管模拉拔，使鋼管逐漸變細(xì)、伸長；另一種方法是冷軋法，它是將孟內(nèi)斯曼兄弟發(fā)明的熱軋

8、機(jī)應(yīng)用于冷加工中的方法。無縫鋼管的冷加工，可以進(jìn)步鋼管的尺寸精度和加工光潔度，改善材質(zhì)的機(jī)械性能等。無縫化鋼管（熱軋鋼管）的生產(chǎn)工藝鋼管的無縫化主要是通過張力減徑來完成的，張力減徑過程是空心母材不帶芯棒的連續(xù)軋制過程。在保證母管焊接質(zhì)量的條件下，焊管張力減徑工藝是將焊管整體加熱到950攝氏度以上，再經(jīng)張力減徑機(jī)（張力減徑機(jī)共有24道次）軋制成各種外徑與壁厚的成品管，采用此工藝所生產(chǎn)的熱軋鋼管與普通的高頻焊管有本質(zhì)的區(qū)別通過加熱爐加熱后其焊縫與母體的金相組織和機(jī)械性能可以達(dá)到完全一致此外，通過多道次的張力減徑機(jī)軋制和自動(dòng)控制使得鋼管的尺寸精度（尤其是管體圓度和壁厚精度）優(yōu)于同類無縫管。世界發(fā)達(dá)國

9、家生產(chǎn)的流體管，鍋爐管中已大量采用焊管無縫化工藝，隨著社會(huì)的發(fā)展，國內(nèi)熱軋焊管逐步代替無縫管的局面已經(jīng)形成1.3 材料的斷裂失效1.3.1 斷裂簡介固體材料在力的作用下分成若干部分的現(xiàn)象稱為斷裂。材料的斷裂是力對(duì)材料作用的最終結(jié)果，它意味著材料的徹底失效。研究材料斷裂的宏觀與微觀特征、斷裂機(jī)理、斷裂的力學(xué)條件，以及影響材料斷裂的各種因素不僅具有重要的科學(xué)意義，而且也有很大的使用價(jià)值。1.3.2 斷裂的類型及斷口特征材料的斷裂過程大都包括裂紋的形成與拓展兩個(gè)階段。由于材料品類的不同，及引起斷裂的條件各異，材料斷裂的機(jī)理與特征也并不相同，若按照斷裂前與斷裂過程中材料的宏觀塑性變形的程度，可以把斷裂

10、分為脆性斷裂與韌性斷裂；按照晶體材料斷裂和裂紋拓展的途徑，分為穿晶斷裂和沿晶斷裂；按照微觀斷裂機(jī)理，分為解理斷裂和剪切斷裂；按照作用力的性質(zhì)還可分為正斷和切斷等。材料的斷裂表面成為斷口，用肉眼、放大鏡或電子顯微鏡等手段對(duì)材料斷口進(jìn)行宏觀及微觀的觀察分析，以了解材料發(fā)生斷裂的原因、條件、斷裂機(jī)理以及與斷裂有關(guān)的各種信息的方法，稱為斷口分析法。1.3.3 韌性斷裂與脆性斷裂韌性斷裂是材料斷裂前及斷裂過程中產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形的斷裂過程。韌性斷裂時(shí)一般裂紋拓展過程較慢，而且要消耗大量塑性變形能。斷口用肉眼或放大鏡觀察時(shí)，往往呈暗灰色，纖維狀。纖維狀是塑性變形過程中，眾多微細(xì)裂紋的不斷拓展和相互連接造

11、成的，而暗灰色則是纖維斷口表面對(duì)光的反射能力很弱所致。其形貌如圖1。脆性斷裂是材料斷裂前基本上不產(chǎn)生明顯的宏觀塑性變形，表現(xiàn)為快速斷裂過程。其斷口一般與正應(yīng)力垂直，宏觀上比較齊平光亮，常呈放射狀或結(jié)晶狀。其形貌如圖2。圖1圖2圖4圖31.3.4 穿晶（晶界）斷裂與沿晶斷裂對(duì)于晶體材料，發(fā)生斷裂時(shí)裂紋拓展的路徑分為穿晶和沿晶多數(shù)為脆性斷裂。1.3.5 剪切斷裂和解理斷裂剪切斷裂與解理斷裂是兩種不同的微觀斷裂方式，是材料斷裂的兩種重要微觀機(jī)理。剪切斷裂。剪切斷裂是材料在切應(yīng)力作用下沿滑移面滑移分離而造成的斷裂。某些純金屬尤其是單晶體金屬可產(chǎn)生純剪切斷裂，其斷口呈鋒利的楔形；大單晶體的純剪切斷口上，

12、用肉眼就可觀察到很多直線狀的滑移痕跡。對(duì)于多晶體，由于晶粒間的相互約束，位錯(cuò)沿著相互交叉的滑移面移動(dòng)，從而在微觀斷口上呈現(xiàn)出“蛇形滑動(dòng)”花樣。隨變形度的加劇，蛇形滑動(dòng)花樣平滑化，形成“漣波”花樣，變形再繼續(xù)增加，漣波花樣進(jìn)一步平滑化，而在斷口上留下無特征的平坦面，稱為“延伸區(qū)”。剪切斷裂的另一種形式為微孔聚集型斷裂。其斷口在宏觀上常呈現(xiàn)暗灰色、纖維狀，微觀斷口特征花樣則是端口分布大量“切窩”。微孔聚集斷裂過程包括微孔形核、長大、聚合直至斷裂。一般來說，其實(shí)微孔的尺寸主要取決于雜質(zhì)物或第二項(xiàng)質(zhì)點(diǎn)的大小和他們間的距離，以及金屬材料本身塑性的好壞。若塑形相同，質(zhì)點(diǎn)間距減小，則切窩尺寸和深度都減小。在

13、相同質(zhì)點(diǎn)間距下，塑性好的材料切窩深。在三向應(yīng)力作用下，韌窩呈等軸狀，而在切應(yīng)力作用下，常呈橢圓形或拋物線形。韌窩形貌見圖3。解理斷裂。在正應(yīng)力作用下，由于原子間結(jié)合力破壞引起的沿特定晶面發(fā)生的脆性穿晶斷裂稱為解理斷裂。實(shí)際解理斷口是由許多大致相當(dāng)于晶粒大小的解理面集合而成的。這種大致以晶粒大小為單位的解理面稱為解理刻面。解理裂紋的拓展往往是沿著晶面指數(shù)相同的一族相互平行，但位于“不同高度”的品面進(jìn)行的。不同高度的解理面之間存在臺(tái)階，眾多臺(tái)階的匯合便形成河流花樣。解理臺(tái)階、河流花樣和舌狀花樣是解理斷口的基本微觀特征。如圖4.2 .實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分析鋼管斷裂的原因，首先要通過觀察斷裂面的微觀形貌特征來判

14、定斷裂的種類，再從鋼管組織入手，觀察組織形貌，即45#鋼中鐵素體及滲碳體組織多少及分布，找到斷裂原因。再輔以硬度檢測(cè)，以證明斷裂分析結(jié)論的準(zhǔn)確性。2.1 試驗(yàn)樣品及儀器2.1.1 試驗(yàn)樣品45#鋼管斷裂試樣2.1.2 試劑及藥品實(shí)驗(yàn)所用的試劑原料如下表所示。表2.1實(shí)驗(yàn)中使用的試劑Table2.1Thereagentusedinexperiment試劑名稱廠家金屬切削液天津藺婭懿科技發(fā)展有限公司無水乙醇萊陽經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)精細(xì)化工硝酸萊陽經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)精細(xì)化工三氧化二銘天津市大茂化學(xué)試劑廠線切割專用鋁絲自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司成都分公司金相砂紙上海砂輪廠2.1.3實(shí)驗(yàn)儀器表2.2實(shí)驗(yàn)中使用的儀器

15、設(shè)備儀器名稱廠家DK7725電火花線切割機(jī)蘇州普光機(jī)電有限公司電火花線切割機(jī)控制機(jī)蘇州普光機(jī)電有限公司JSM-6380LV3描電子顯微鏡日本電子PG-1金相試樣拋光機(jī)上海金相機(jī)械設(shè)備有限公司MDJg（列金相顯微鏡重慶奧特光學(xué)儀器有限責(zé)任公司AxioScopeA1pol偏光顯微鐮北京普瑞塞斯儀器有限公司MHV2000a數(shù)顯顯微硬度計(jì)上海材料試驗(yàn)機(jī)廠KQ2200ES超聲波清洗器昆山市超聲儀器有限公司2.2 實(shí)驗(yàn)過程2.2.1 金相及硬度檢測(cè)2.2.1.1 金相試樣的線切割制備先將斷裂鋼管加持在DK7725電火花線切割機(jī)上，再輸入操作程序，緊絲,對(duì)邊并定中心，然后運(yùn)行線切割機(jī)，得到粗加工的待測(cè)試樣。

16、如圖2.2.1.2 金相試樣的粗磨及拋光將切割好的試樣，選取垂直于鋼管斷裂面的一側(cè)表面依次用800目、1200目、2000目的砂紙打磨，至表面光滑，再在PG-1金相試樣拋光機(jī)上拋光,至表面光亮若鏡面，在偏光顯微鏡下觀察，沒有劃痕。圖7為所制樣品。圖7圖82.2.1.3 腐蝕取無水乙醇5ml,濃硝酸95毫升，混合，至均勻，配制體積分?jǐn)?shù)為5府肖酸酒精溶液。取0.5ml滴在金相試樣表面，置通風(fēng)處，至表面干燥。2.2.1.4 金相檢測(cè)將腐蝕后的樣品置于MDJ系列金相顯微鏡上，從邊緣向內(nèi)部觀察組織形貌，先使用X50鏡頭整體觀察，再使用X100及X200鏡頭細(xì)微觀察，并拍攝金相組織照片以供分析。2.2.1

17、.5 硬度檢測(cè)將試樣加載在MHV200阻數(shù)顯顯微硬度計(jì)載物臺(tái)上，設(shè)置加載力為4.9N,加載時(shí)間10秒，從裂紋邊緣向試樣內(nèi)部依次測(cè)試硬度。約每0.1mm間距取一測(cè)試點(diǎn)，共10取樣點(diǎn)。2.2.2 斷裂試樣的掃描檢測(cè)2.2.2.1 斷面預(yù)處理將試樣在超聲儀中超聲處理30分鐘，以清洗斷裂截面，為做顯微掃描做準(zhǔn)備。清洗后斷裂面如圖82.2.2.2 試樣斷口掃描將超聲清洗后的樣品，使用JSM-6380LVB描電子顯微鏡，掃描觀察表面形貌。掃描時(shí)，一次使用X23,X100,X500的掃描鏡頭，并拍攝掃描照片以供分析。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論3.1 斷口形貌分析肉眼觀察斷口形貌，可發(fā)現(xiàn)圖8中左下角處的裂紋源。樣品

18、的斷口裂紋源處存在明顯的纖維區(qū)和放射區(qū)，而由于鋼管試樣較大，剪切唇并不明顯，所以鋼管的斷裂屬于微孔聚集型剪切斷裂圖9(1)圖9(2)圖9(3)微孔聚集型斷裂是材料韌性斷裂的普通方式。鋼管端口在宏觀上常呈現(xiàn)暗灰色，纖維狀，微觀斷口特征則是端口上分布的大量“韌窩”如圖9(1),圖9(2)所示。微孔聚集型斷裂包括微孔形核，長大，聚合至斷裂。微孔的形核是通過第二相碎裂或與基體界面脫離，如圖9(3)所示，并在材料塑性變形到一定程度時(shí)產(chǎn)生的。隨塑性變形的的進(jìn)一步發(fā)展，大量位錯(cuò)進(jìn)入微孔，使微孔逐漸長大。微孔長大的同時(shí)，與相鄰微孔的基體橫截面不斷減小，最終微孔連接聚合形成微裂紋。隨后在裂紋尖端附近存在三向壓應(yīng)

19、力區(qū)和集中塑性變形區(qū)，在該區(qū)形成新的微孔。新的微孔借助內(nèi)縮頸與裂紋連通，是裂紋向前推進(jìn)一步，如此不斷進(jìn)行下去，直至最終斷裂，便形成通常見到的宏觀上呈纖維狀，微觀上為韌窩的纖維區(qū)。纖維區(qū)中裂紋拓展速度較慢，并伴隨有更大的塑性變形。當(dāng)裂紋達(dá)到某一臨界尺寸后，產(chǎn)生更大的應(yīng)力集中，裂紋以低能量撕裂的方式快速拓展，并形成放射區(qū)。放射區(qū)有放射線花樣特征。放射線平行于裂紋拓展方向而垂直于裂紋前端輪廓線，并逆指裂紋源。放射區(qū)的斷裂過程雖然與纖維區(qū)不同，但仍屬于韌性撕裂過程。3.2 金相組織分析該鋼管的金相組織如圖圖10(2)圖10(1)圖10(3)圖10(4)在金相圖片中可明顯觀察到白色羽毛狀的鐵素體魏氏組織

20、和灰色塊狀珠光體組織。該鋼管的生產(chǎn)原料為45#鋼錠，生產(chǎn)工藝為將鋼錠加熱到1000c左右，保溫奧氏體化，在沖擊成形，然后正火軋制而成。45#鋼屬亞共析鋼，奧氏體化后正火處理，得到鐵素體和珠光體組織，而正火工藝的冷卻速度較快，奧氏體發(fā)生亞共析轉(zhuǎn)變，使得先析出相鐵素體不僅含量降低，而且形態(tài)也會(huì)發(fā)生變化。通常在正火處理時(shí)，加熱溫度過高，保溫時(shí)間過長及爐內(nèi)溫度不均勻等都可以造成局部過熱，即生成粗大的奧氏體晶粒，若冷卻速度快，鐵素體析出時(shí)便呈片狀或針狀的魏氏組織，如圖10(1),圖10(2)。魏氏組織會(huì)造成局部應(yīng)力集中，使鋼的塑性降低，性能惡化。在該批鋼管的生產(chǎn)中，奧氏體化溫度高于1000c，而45#鋼的正火溫度一般設(shè)定在840到870C,谷此批鋼管的正火溫度是稍高的。正火溫度高，造成了兩個(gè)效應(yīng)，即奧氏體晶粒粗大和冷卻速度快，這兩個(gè)因素均對(duì)魏氏組織的形成起到促進(jìn)作用。由于先共析鐵素體沿奧氏體晶界析出，所以在金相組織照片中可依舊可以看到原奧氏體晶粒輪廓，其晶粒大小在200pm左右，圖10(3),圖10(4)?？紤]到鋼管的生產(chǎn)時(shí)間在冬季，較高的正火溫度和較低的環(huán)境溫度，使得正火過程中溫度降低速度較快。結(jié)合對(duì)斷口形貌的分析，可知正火過程產(chǎn)生的魏氏體便是引起應(yīng)力集中的第二相，軋制時(shí)引發(fā)了鋼管的斷裂。3.3 硬度分析硬度是表征材料軟硬程度的