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45#鋼在冷軋過程中出現縱向局部開裂的現象。 利用光學顯微鏡、顯微硬度計、SEM 和直讀光譜等設備分析 45 鋼圓鋼和開裂管的化學成分、顯微組織、斷口形貌和顯微硬度。 利用冷軋 45 鋼加工硬化函數曲線對軋制的鋼管變形參數進行計算。 結果表明，45#鋼圓鋼在穿孔及軋制后發生明顯加工硬化降低了韌性及塑性， 冷軋鋼管的變形量過大導致產生較大的內應力造成在軋制時開裂。 采用再結晶退火可消除鋼管加工硬化， 合理設計鋼管軋制變形量提高了鋼管質量， 避免了管體開裂。關鍵詞: 鋼管; 軋制; 加工硬化; 開裂。
45#鋼為優質碳素結構鋼， 硬度不高易切削加工，且調質處理后有較好的綜合力學性能， 廣泛用于各類重要的結構零件。 45 鋼制成的無縫鋼管用來制造機械零件，如汽車、拖拉機的受力零件， 需要承受拉伸、壓縮、彎曲和振動沖擊多種作用力， 必須保證足夠的強度和剛度。 某廠生產的 45號無縫鋼管， 規格為24.5 mm×4.6 mm，生產工藝為:圓鋼坯料→加熱穿孔→酸洗→潤滑→冷軋→去油→矯直→切管→無損探傷。 在冷軋時出現縱向局部開裂的現象， 廢品率達到了 70% ，本文作者為了確定開裂原因在典型的開裂管及管坯上取樣， 分析化學成分、顯微組織、 斷口 形貌和組織的顯微硬度， 并對開裂原因進行了分析研究［1］。
選取一段具有典型裂紋的開裂管觀察宏觀特征如圖 1 所示， 裂紋沿管體縱向 局部分布， 長度為 60 ～70 mm，與管件軸線成 15°左右的夾角， 管體表面沒有明顯劃傷的痕跡。 裂紋穿透了管壁， 形成穿透型裂紋， 見圖1(a) 、(b) 。 在 EVO18 德國 ZEISS 掃描電子顯微鏡下觀察裂紋處形貌，鋼管斷裂形貌的多個平齊的斷裂面有解理特征，具備明顯的脆性斷裂特征，見圖 1(c) 。
在圓 鋼 坯 料 及 開 裂 管 體 上 切 取 試 樣， 采 用BrukerQ4170 型直讀光譜儀檢測 兩個試件的化學成分， 結果見表 1， 對比 GB /T 1591—2008《低合金高強度結構鋼》可以看出， 兩個試件的碳含量接近國標碳含量上限， 其它合金成分在國家標準要求的范圍內。
對圓鋼及開裂管沿橫、縱截面進行取樣， 經研磨、拋光、腐蝕后， 在 Leica DM4000M 型金相顯微鏡下觀察組織。 圓鋼和開裂管的組織都為鐵素體和珠光體，根據圓鋼及開裂管中鐵素體及珠光體的數量比例可知， 其碳含量在普通 45 鋼碳含量的上限， 這與材料化學成分檢驗結果一致。 圓鋼組織為珠光體及呈網狀分布和 少 量 針 狀 的 鐵 素 體， 表 層 有 輕 微 脫 碳 層， 見圖 2(a) 、(b) 。 開裂管組織為片狀珠光體及呈白色網狀、針狀和塊狀分布的鐵素體， 表層有輕微脫碳層且在組織內部有裂紋， 見圖 2(c) 、(d)［2］。
為了檢測圓鋼經過加熱穿孔及冷軋后管材中組織的硬度變化， 采用 MH-6 型顯微硬度計分別檢測圓鋼和開裂管件中 鐵素體及珠光體的顯微硬度， 結果如表 2 所示。 為了比較圓鋼與開裂管的整體硬度變化，采用數顯布氏硬度計檢測其平均硬度， 結果見表 3。
對圓鋼及開裂管的化學成分進行檢測可知， 其碳含量在國標 45 鋼碳含量的上限。 碳含量增加組織中珠光體過多， 降低了鋼的脆斷強度， 增加了鋼開裂的傾向性 ［3］ 。 由宏觀觀察裂紋為穿透型裂紋， 是金屬單元受到復雜多向應力后塑性變形超出管材強度極限被剪切斷裂， 在裂紋邊緣和端部出現的翹曲變形是殘余拉應力導致。 由微觀形貌觀察和顯微組織檢驗發現斷口有解理特征且在組織內 部有穿過珠光體組織的裂紋，為明顯的穿晶斷裂。 鋼管在穿孔后和冷軋時產生了大量的塑性變形， 晶格畸變嚴重， 晶粒內 部位錯急劇增加， 粗糙度和駐留滑移帶大量形成之后， 晶粒本身強度下降， 裂紋容易從晶粒內部萌生， 進而成為穿晶斷裂。由硬度檢驗可知，由表 2、3 的數據可知開裂管件硬度比圓鋼高 132.3 HBW，且開裂管件中的珠光體硬度比圓鋼高 95.6 HV0.1，鐵素體硬度并沒有明顯變化。 塑性變形造成的加工硬化使鋼管的硬度提高同時塑性、 韌性下降［4］。
由金屬學知識可知， 抗拉強度等于 3.5 倍的布氏硬度。 文獻［5］ 表明， 冷軋 45 鋼加工硬化的函數曲線為: S = 660.39x 0.7528 ， 其中: S—抗拉強度， x—延伸系數， x =1 /(1 － Z) ， Z—冷軋的斷面收縮率。 根據上述關系， 本試驗中的穿孔毛管規格為 51mm × 5.5 mm，冷軋管的規格為24.5 mm × 4.6 mm， 可知冷軋的斷面收縮率 Z = 63.4% ， 延伸系數為 x = 2. 732， 抗拉強度 S = 1406.63 MPa， 理 論 上 軋 制 后 鋼 管 的 硬 度 為401.7 HBW， 而檢測的開裂管硬度為 326.3 HBW。 說明該公司指定的變形量過大， 在鋼管中產生了較大的內應力， 導致軋制時開裂。
3 改進措施及效果
為了消除穿孔后加工硬化的影響采取再結晶退火工藝。 由于本批鋼材碳含量接近 45 鋼國標的上限， 珠光體相對較多鋼材的硬度較高， 又因為珠光體的硬度與其片層間距有關， 其片層間距越大硬度越低， 退火時的冷卻速度越慢， 珠光體的片層間距越大。 所以在軋制前采用再結晶退火工藝提高鋼材的塑性及韌性， 消除加工硬化的影響， 再結晶 退火溫度為 730 ℃ ， 以80 ～100 ℃ /h 速度冷卻到 160 ℃ 出爐空冷 ［6-9］ 。在滿足鋼管的強度及硬度前提下， 利用冷軋 45 鋼加工硬化函數曲線: S = 660． 39x 0． 7528 設計合理的變形量， 較大的變形量會使鋼管的強度、 硬度過高， 鋼管中產生較大的內應力在軋制或矯直時開裂， 同時也不利于加工與使用。
通過上述 45 鋼無縫鋼管軋制開裂原因分析， 將40 mm × 5． 5 mm 規格的 穿孔毛管軋制 成規格為24.5 mm ×4.6 mm 的成品管， 此時鋼管的斷面收縮率 Z = 51.7% ， 比采用 51mm × 5.5 mm 規格的穿孔管軋制的成品管變形量減少了 12 個百分點， 并在冷軋前將毛管進行上述的再結晶退火工藝。 經過對后續45 鋼無縫鋼管的生產跟蹤， 管體材質得到改善， 檢測成品管的硬度約為 256 HB， 再未出現管體軋制開裂現象， 從而證明改進措施是有效的。
1) 鋼管碳含量接近國家標準上限且珠光體過多，晶格畸變嚴重， 裂紋從晶粒內部萌生形成穿晶斷裂， 斷口呈脆性。 鋼管的整體硬度達到了 326． 3 HBW， 組織中珠光體硬度達到 325． 0 HV0． 1。
2) 45 鋼圓鋼在穿孔及軋制后產生的加工硬化現象降低了鋼材的韌性及塑性， 同時鋼管的軋制變形量過大達到了 64． 3% ， 使得在鋼管內部產生較大的內應力導致在軋制時開裂。
3) 為了消除鋼管的加工硬化現象采用再結晶退火工藝: 溫度為 730 ℃ ， 以 80 ～ 100 ℃ /h 速度冷卻到160 ℃ 出爐空冷， 并采用 40 mm × 5． 5 mm 規格的穿孔毛管進行軋制， 減小了軋制變形量。 跟蹤生產鋼管管體質量得到改善， 未出現軋制開裂現象。
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原文出處：http://bk.www.qpamc.cn/post/45SteelTubeAnalysis.html
