不锈钢封头开裂分析及对策

支泽林 王富岐 陕西省锅炉压力容器检验所

不锈钢封头开裂分析及对策

支泽林 王富岐 陕西省锅炉压力容器检验所

某封头厂受压力容器制造厂委托，压制了8张材料牌号为304奥氏体不锈钢椭圆型封头。经检查，钢板规格为6000×1500×10mm和6400×1800×10mm,坯料直径、外观质量，均满足成型要求。封头厂采用两次冷拉伸成型工艺，在2010年2月7日前压制完毕并进行了切边，同时对成型后的封头进行了外观、形状、几何尺寸等检查，未见异常，遂被制造厂运走。在2010年2月12日后，发现封头在直边和圆弧部位沿垂直于封头端面方向上均出现了开裂，长度约30～200mm，裂缝都为穿透性开裂，其中有一个封头出现了20多处。

304奥氏体不锈钢压制封头较普遍，但开裂情况较罕见。为此，本文针对304奥氏体不锈钢封头失效情况进行分析，找出开裂产生的原因和失效机理，提出解决对策。

1 检查与试验

取封头直边和圆弧部位沿开裂处，进行光谱分析、力学性能、弯曲性能和金相分析。

1.1 封头开裂的宏观形貌

封头的材料为304，规格为φ1500×8mm和φ1400×8mm，封头开裂的宏观形貌如图1所示。

图1 封头开裂的宏观形貌

1.2 封头材料化学成分

对封头开裂和未开裂部位进行光谱分析，其化学成分满足GB24511－95的标准要求。

1.3 金相分析

封头开裂部位和未开裂部位金相组织如图2所示，可以看出，两个部位的金相组织均为奥氏体和形变马氏体，晶粒度6～7级，清晰可见。压制前金相组织应该是奥氏体(含孪晶)+碳化物+少量铁素体。

图2 封头的金相显微组织

1.4 力学性能分析

力学性能试验结果见表1。

表1 力学性能

根据GB/T4237-2007，Rm≥520、Rp0.2≥206、A≥40%、力学性能符合标准。

2 结果讨论

2.1 材料分析

经原厂家提供的《产品质量证明书》表明交货状态为：固溶、酸洗、热轧。由于304钢是奥氏体钢，应该是无磁或弱磁性的，但原材料均呈较强磁性，断裂端面结晶状小刻面，呈“放射状”。因此材料中可能会有较多铁素体或不利于冷成型的马氏体，材料因受拉应力作用沿着某些严格的结晶学平面分离的过程，为解理断口。

2.2 工艺分析

由于冶炼时成分偏析或轧制后热处理不当，会造成304不锈钢中出现少量的马氏体，化学成分和力学性能均有不同程度的超标，材料就会出现磁性，强度高于标准下限值很多。因此已经说明原材料的组织发生了变性，不属严格意义上奥氏体不锈钢类别，具备了奥氏体—马氏体的强度、脆性、磁性的特性，不适合冷成形，或冷加工后做一定处理。

2.3 裂纹发生原因及失效机理

奥氏体不锈钢在经过固溶处理后，具有良好的韧性，如若固溶处理不当或经过其它工艺后，部分奥氏体发生了组织变化，使材料含有马氏体且具有磁性，材料强度加大，韧性降低，影响材料的冷拉伸性能，即使化学成分和力学性能均在标准范围之内，也不一定完全满足封头冷拉伸成型的需要。在经过封头压制过程中，再经过冷拉伸后，部分奥氏体又转化为马氏体或铁素体，材料的强度进一步加大，韧性变差，同时由于冬季，天气比较冷，在拉伸后，静置过程中，相当于一次简单热处理。

马氏体不锈钢在正常淬火温度下处于γ相区，但γ相仅在高温时稳定，Ms点一般在300℃左右，冷却时转变成为马氏体，具有较高的强度和磁性，有较好热加工性，适合采用热成型。由于它的韧性差，冷加工成型不好，因而马氏体不锈钢应该采用完全退火热成型，加热温度在850～900℃，成型后空冷。

在奥氏体不锈钢中含有较多扩大γ相区和稳定奥氏体的元素，在高温时均为γ相，冷却时由于Ms在室温以下，所以在常温下具有稳定的单相奥氏体组织。由于加热时没有相变发生，不能通过热处理相变使之强化，只能通过冷加工变形的方法，利用加工硬化作用提高它们的强度。经过固溶处理的奥氏体不锈钢，由于所有的碳化物充分分散在晶体中，且经过快速冷却又固定在其中，所以具有最低的强度，最高的塑性和优良的耐腐蚀性。

该钢薄板材料冷加工以后，从微观角度看，滑移面及晶界上将产生大量位错，致使点阵产生畸变。变形量越大时，位错密度越高，内应力及点阵畸变越严重，使其强度随变形而增加，塑性降低(即加工硬化现象)。当加工硬化达到一定程度时，如继续形变，便有开裂或脆断的危险；在环境气氛作用下，放置一段时间后，工件会自动产生晶间开裂(通常称为“季裂”)。所以304不锈钢在冲压成形过程中，一般都必须进行工序间的软化退火(即中间退火)，以降低硬度，恢复塑性，以便能进行下一道加工。304不锈钢通常用做冲压板材，其冲压件上各部分材料的变形程度各不相同，大致在15%～40%之间，因此各部分材料的硬化程度也不一样。为了选择其最佳的中间退火工艺，必须对其加工硬化和退火软化的规律和机理进行深入的研究。不同温度、不同拉伸形变量与马氏体含量的关系，室温下(25℃)形变量小于10%时，304不锈钢仅有少量的马氏体相变，当形变量在10%～40%之间时，马氏体含量随形变量的增大而增加得较快，马氏体含量由0.7增至6.8。低温下马氏体转变随拉伸形变量增大而变化较大，形变量在6%以上时，马氏体含量就开始迅速增加，形变量为20%时，马氏体相变量已达到23%。同一形变量低温时产生的马氏体量要比室温时高得多，可见低温有利于形变诱发马氏体相变，材料经160℃下拉伸后，其马氏体含量没有变化，说明在这个温度下拉伸，304不锈钢不会产生形变诱发的马氏体相变。

1）奥氏体304不锈钢在室温或更低的温度下进行不同形式的冷加工形变均会产生马氏体相变。

2）相同的冷加工方式，随着形变量的增大，马氏体相变量增加。

3）形变诱发马氏体相变中存在高密度的位错，得到的马氏体组织以板条马氏体为主。

马氏体转变符合一般相变的规律，遵循相变的热力学条件，马氏体相变的驱动力为新相与母相的化学能之差。在塑性形变的过程中，给体系增加的自由能可以克服两相转变间的自由能之差，从而导致材料组织结构的变化，从晶体学角度而言马氏体相变是一种实际上没有扩散的点阵畸变的组织转变，它的切变分量和最终的形状变化应当使转变过程中动力学及形态受应变能控制，母相与新相之间具有明显的晶体学取向关系。

3 防止对策

1）对于奥氏体-马氏体不锈钢，为了安全起见，建议采用热压成型工艺，按照恢复马氏体组织的温度要求进行相应的热处理，以保证质量。

2）冷加工导致304奥氏体不锈钢位错增加,位错密度随冷加工变形量的增加而增大。因此，必须提高轧制工艺水平，制定出比较合理的轧制速度、轧制道次、压下率、轧制油、轧辊材质及表面精度参数。

3)原材料在保证质量的前提下，考虑冷加工后进行热处理，避免马氏体转变后的应力腐蚀问题。

1 王立梅.影响冷轧不锈钢的质量、性能因素及预防措施四.潍坊学院学报,2005,5(2)：62－64

2 陆世英.不锈钢.北京：原子能出版社,1995.183－216

3 刘伟,李志斌,王翔等.应变速率对奥氏体不锈钢应变诱发a’-马氏体转变和力学行为的影响.金属学报,2009,44(3)：285－291

4 严慕容,陈美贞.退火对304不锈钢拉伸坯料力学性能的影响.农机化研究,2002,11(4)：151－153

2013－07－30）