摘 要:某無縫鋼管生產用的芯棒在使用過程中頻繁在尾部斷裂,通過宏觀檢查、化學成分分 析、金相檢驗、力學性能試驗等方法對斷裂原因進行了分析.結果表明:芯棒尾部異常受力引起疲 勞彎曲是導致芯棒尾部斷裂的外在因素;芯棒結構不合理使尾部受力時芯棒過渡錐面與尾桿交接 處產生較大彎矩與應力集中,且芯棒斷裂處顯微組織帶狀偏析較嚴重、橫向沖擊吸收能量較低、韌 性較差是導致芯棒斷裂的內在因素.
關鍵詞:芯棒;斷裂;彎曲疲勞;彎矩;應力集中;帶狀偏析
中圖分類號:TG１１５．２ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０２０)０１Ｇ００７０Ｇ０５
芯棒是軋制無縫鋼管的重要生產工具,在實現 鋼管減徑、減壁,改善鋼管內表面質量方面起著重要 作用[１].在實際生產過程中,芯棒要承受較大的徑向 壓力、軸向拉力、來自鋼管內表面的摩擦力以及頻繁 的冷熱交變作用,這對芯棒的力學性能提出了較高的 要求[２Ｇ３].某無縫鋼管廠的芯棒在使用過程中,芯棒 尾部頻繁斷裂失效,給生產運行造成了較大影響.該 芯棒材料為 H１１熱作模具鋼,該鋼具有良好的韌性、 抗拉強度、硬度、耐磨性及抗冷熱疲勞性能,且在空冷 條件下可實現淬硬,經熱處理后,可較好地滿足芯棒 加工工藝和使用性能的要求[４].為查明芯棒尾部的 斷裂原因,筆者對其進行了理化檢驗及分析.
１ 理化檢驗
１．１ 宏觀觀察
芯棒由頭部、桿體、過渡錐面、尾桿和尾柄５部 分構成,斷裂處位于芯棒尾部(尾桿與過渡錐面交接 處).圖１是失效芯棒尾部的宏觀形貌,芯棒結構及斷裂位置如圖２所示.
在斷裂的芯棒中隨機取３個,分別編為１,２,３號. 圖３為１號芯棒的斷口形貌,可見斷口心部表面粗糙 且呈撕裂狀,斷口外圍呈臺階狀,且有裂紋擴展形成的 疲勞輝紋;采用 LeicaM２０５A 型體視顯微鏡對斷口近 過渡錐面進行觀察,由圖３c)可見,斷口側面圓周有均 勻且不連續分布的平行于斷口的環向微裂紋,微裂紋 間距為０．８~２mm.上述特征符合彎曲疲勞斷口的特 征,疲勞源區位于斷口附近尾桿的外表面,斷口外側圓 周為疲勞裂紋擴展區,中心區域為瞬斷區[５].
１．２ 化學成分分析
按照 GB/T４３３６－２０１６«碳 素 鋼 和 中 低 合 金 鋼 多元素含量的測定 火花放電 原 子 發 射 光 譜 法 (常規 法)»分 別 從 １,２,３ 號 芯 棒 的 尾 部 取 樣,用 PMIＧMASTERPro型直讀光譜儀對其進行化學成 分分析,結 果 如 表 １ 所 示.可 見 芯 棒 尾 部 的 化 學 成分均符 合 企 業 技 術 文 件 對 H１１ 鋼 成 分 的 技 術 要求.
１．３ 金相檢驗
按照 GB/T１３２９８－２０１５«金相顯微組織檢驗 方法»和 GB/T１３２９９－１９９１«鋼的顯微組織評定方 法»,分別從１,２,３號芯棒的斷口附近取樣,試樣經 打磨、拋光后,用體積分數為４％的硝酸酒精溶液浸 蝕,使用 OLYMPUSBX６０M 型金相顯微鏡進行觀 察.由圖４可見,當放大１００倍時,斷口處均可見明 顯的帶狀偏析,且１號芯棒試樣顯微組織中偏析帶 的寬度和碳化物[６]顆粒的尺寸均明顯大于２號和３ 號試樣的;當放大５００倍時,試樣的顯微組織均為回 火索氏體＋位向不同的貝氏體.
此外,從１號芯棒桿體的近外表面、１/２半徑處 及心部３個位置取樣,經磨、拋光后,用體積分數為 ４％的硝酸酒精溶液浸蝕,使用 AxioImagerM２m 型金相顯微鏡進行觀察.由圖５可見,當放大５０倍 時,試樣顯微組織中均存在帶狀偏析,且帶狀偏析程 度從外向內逐漸增強;當放大１０００倍時,可觀察到 芯棒桿體近外表面無明顯帶狀偏析,而在１/２半徑處和心部帶狀偏析程度明顯增強.
１．４ 力學性能試驗
分別按照 GB/T２２８．１－２０１０«金屬材料 拉伸 試驗 第１部分:室溫試驗方法»、GB/T２２９－２００７ «金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法»、GB/T２３０．１－ ２０１８«金屬材 料 洛 氏 硬 度 試 驗 第 １ 部 分:試 驗 方 法»,在１,２,３號芯棒尾部取樣進行室溫拉伸試驗、 橫向沖擊試驗和硬度測試,結果見表２~表４.可見 １號芯棒尾部的抗拉強度低于企業技術文件要求 (９００~１１００MPa),洛氏硬度也低于企業技術文件 要求(２４．０~３０．０HRC),２,３號試樣的橫向沖擊吸 收能量低于企業技術文件要求(不小于１７J).
２ 分析與討論
２．１ 芯棒受力的影響
從芯棒斷口的宏觀形貌來看,斷口存在明顯的 裂紋源區、裂紋擴展區和瞬斷區,斷口側面圓周內有 較多平行分布的微裂紋,這表明芯棒斷裂機理為彎 曲疲勞斷裂[５].從該斷裂機理可推斷芯棒尾部在工 作過程中受到反復彎曲載荷的作用,從而在其尾部 與過渡錐面的交接處表面形成多處平行于斷口的微 裂紋(即裂紋源),微裂紋沿圓周方向及芯棒徑向緩 慢擴展.由于裂紋前端有著極大的應力場,當兩條 裂紋相互交匯時,應力場的相互疊加導致裂紋交匯 處發生剪切斷裂,從而形成了斷口外圍臺階狀形貌. 裂紋擴展到一定深度后,當芯棒尾部受到較大的軸 向拉力、壓力或者彎曲作用時,若裂紋處的應力集中 使該處的受力超出芯棒的斷裂強度,將導致芯棒尾 部瞬間斷裂,形成斷口心部的瞬斷區.
經生產現場人員證實,芯棒在運輸、脫棒以及返 回冷卻水槽等過程中,由于設備中心狀態異常,其尾 部存在與現場設備碰撞以及斜向脫棒等異常受力情 況,這是導致芯棒尾部斷裂的外在因素.因此,調整 生產線設備中心狀態,減少芯棒尾部異常受力對避免芯棒尾部斷裂十分必要.此外,過渡錐面上的環 向微裂紋方向與機床加工刀痕方向一致,從抑制裂 紋形成的角度考慮,可以通過改善芯棒表面加工質 量避免加工刀痕成為彎曲疲勞微裂紋的來源.
２．２ 芯棒結構的影響
芯棒尾部受力點通常在尾柄,由于桿體質量較 大,當尾部受力時可認為桿體無撓度,僅尾桿發生形 變,故可將芯棒尾部的受力狀態簡化為集中載荷作 用下的懸臂梁模型.芯棒尾部在集中載荷作用下受 到的剪力與彎矩的計算公式[７]為
式中:Fs(x)為芯棒尾部在x 位置的剪力;F尾柄 為芯 棒尾柄所受的集中力;M (x)為芯棒尾部在x 位置 的彎矩;x 為尾桿上任意位置到尾柄受力處的距離.
當芯棒尾部受到集中載荷作用時,尾桿上任意 位置的剪力相同,而彎矩是關于x 的一次函數,隨 著x 的增大而增大,即距離力的作用點(尾柄)越 遠,彎矩越大.因此,適當縮短尾桿長度有利于減小 芯棒尾部x 位置處的彎矩.
應力集中是導致芯棒尾部斷裂的另一個因素. 從芯棒整體結構來看,可將芯棒近似看成由芯棒桿 體與尾部組成的階梯軸式工件.桿體與尾桿之間較 大的尺寸變化導致芯棒尾部受力時,會在發生尺寸 變化的位置產生應力集中.對于階梯軸類的工件而 言,在其他條件相同的情況下,構件過渡圓角半徑與 軸半徑之比越小,階梯兩側尺寸變化越大,用于描述 工件對應力集中的敏感程度的有效應力集中因數越 大,對應力集中越敏感[８].因此,可通過增大尾桿直 徑以及過渡圓角半徑等方法減小應力集中對芯棒尾 部壽命的影響.
２．３ 材料力學性能和組織的影響
１,２,３號芯棒尾部的化學成分均符合企業技術 文件的要求,但部分芯棒的拉伸強度和橫向沖擊吸 收能量不符合企業技術文件的要求.１號芯棒抗拉 強度和硬度偏低,沖擊韌性相對較好,但其過低的抗 拉強度導致其承受載荷的能力有所降低,影響疲勞 壽命.２號和３號芯棒雖然抗拉強度和硬度符合企 業技術文件的要求,但其橫向沖擊吸收能量較低,其 韌性也相應較低,抵抗裂紋擴展的能力也較弱,容易 發生瞬間斷裂.
從金相檢驗結果來看,芯棒斷口附近部位的顯 微組織有較明顯的帶狀偏析,而在帶狀偏析位置一般會形成脆性的液析碳化物,這會顯著降低芯棒的 韌性.１號芯棒顯微組織中偏析帶的寬度和碳化物 顆粒的尺寸均比２號和３號芯棒的要大.１號芯棒 的抗拉強度和硬度要比２號和３號芯棒的要低,這 與其退火溫度和退火時間等熱處理工藝有關,坯料 退火時退火溫度較高或退火時間太長,都會導致材 料的顯微組織粗化、硬度降低.改善熱處理工藝提 高芯棒的強韌性,使其符合設計規范要求,將有助于 提高芯棒的使用壽命.
此外,芯棒從心部到表面其帶狀偏析程度逐漸 降低,適當增加尾桿直徑將有助于降低帶狀偏析程 度,增強芯棒尾部的橫向沖擊吸收能量,提高其韌 性,從而有效防止芯棒斷裂.
３ 結論及建議
失效芯棒尾部的斷裂為彎曲疲勞斷裂.芯棒尾 部異常受力引起的疲勞彎曲是導致芯棒尾部斷裂的 外在因素;芯棒結構不合理使尾部受力時芯棒過渡 錐面與尾桿交接處產生較大彎矩與應力集中,且芯 棒斷裂處顯微組織帶狀偏析較嚴重、橫向沖擊吸收 能量較低、韌性較差是導致芯棒斷裂的內在因素. 建議采取以下改進措施:
(１)確保設備中心處于正常狀態,減少芯棒尾 部異常受力.
(２)改善芯棒尾部車削加工質量,避免讓機床 加工刀痕成為彎曲疲勞裂紋源.
(３)優化芯棒尾部結構,通過縮短尾桿長度減 小尾桿與過渡錐面交接處的彎矩;通過增大尾桿直 徑、增大過渡圓角半徑等方法減小芯棒尾部受力時 產生的應力集中;適當增加尾桿直徑以降低帶狀偏 析程度,從而增強芯棒尾部的橫向沖擊吸收能量,提 高其韌性.
(４)采取合適的熱處理工藝提高芯棒的強韌 性,使其符合設計規范要求.
參考文獻:
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