45#鋼管冷軋開裂原因分析

45#鋼為優質碳素結構鋼，硬度不高易切削加工，且調質處理後有較好的綜合力學性能，廣泛用於各類重要的結構零件。 45#鋼制成的無縫鋼管用來製造機械零件，如汽車、耕耘機的受力零件，需要承受拉伸、壓縮、彎曲和振動衝擊多種作用力，必須保證足够的强度和剛度。 某廠生產的45#無縫鋼管，規格為 ф 24.5 mm × 4.6 mm，45#無縫鋼管生產工藝為：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%，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，並對開裂原因進行了分析研究。

1. 理化檢驗與分析

1.1 宏觀檢驗與微觀形貌觀察

選取一段具有典型裂紋的開裂管觀察宏觀特徵如圖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迹。 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徵，具備明顯的脆性斷裂特徵，見圖1（c）。

圖.1 45#鋼管開裂處宏觀（a，b）與微觀形貌（c）

1.2 資料成分測試

在圓鋼坯料及開裂管體上切取試樣，採用Bruker Q4170型直讀光譜儀檢測兩個試件的化學成分，結果見錶1，對比GB/T 1591—2008《低合金高强度結構鋼》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範圍內。
錶.1 45#鋼試樣的化學成分（品質分數，%）

1.3 顯微組織檢驗

對圓鋼及開裂管沿橫、縱截面進行取樣，經研磨、拋光、腐蝕後，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，這與資料化學成分檢驗結果一致。 圓鋼組織為珠光體及呈網狀分佈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、針狀和塊狀分佈的鐵素體，表層有輕微脫碳層且在組織內部有裂紋，見圖2（c）、（d）。

1.4 硬度檢驗

為了檢測圓鋼經過加熱穿孔及冷軋後管材中組織的硬度變化，採用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，結果如錶2所示。 為了比較圓鋼與開裂管的整體硬度變化，採用數顯布氏硬度計檢測其平均硬度，結果見錶3。
錶.2 圓鋼及開裂管件的鐵素體及珠光體組織的顯微硬度（HV0.1）

錶.3 圓鋼及開裂管件的平均硬度

圖.2 圓鋼與開裂管的顯微組織（a）圓鋼心部； （b）圓鋼表層； （c）開裂管表層； （d）開裂管裂紋處

2. 分析與討論

2.1 裂紋形態及原因分析

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。 碳含量新增組織中珠光體過多，降低了鋼的脆斷强度，新增了鋼開裂的傾向性。 由宏觀觀察裂紋為穿透型裂紋，是金屬單元受到複雜多向應力後塑性變形超出管材强度極限被剪切斷裂，在裂紋邊緣和端部出現的翹曲變形是殘餘拉應力導致。 由微觀形貌觀察和顯微組織檢驗發現斷口有解理特徵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。 鋼管在穿孔後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後，晶粒本身强度下降，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，由錶2、3的數據可知開裂管件硬度比圓鋼高132.3HBW，且開裂管件中的珠光體硬度比圓鋼高95.6 HV0.1，鐵素體硬度並沒有明顯變化。 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。

2.2 軋製工藝分析

由金屬學知識可知，抗拉强度等於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=660.39×0.7528，其中：S—抗拉强度，x—延伸係數，x=1/（1-Z），Z—冷軋的斷面收縮率。 根據上述關係，本試驗中的穿孔毛管規格為 ф 51 mm × 5.5 mm，冷軋管的規格為 ф 24.5 mm × 4.6 mm，可知冷軋的斷面收縮率Z=63.4%，延伸係數為x=2.732，抗拉强度S=1406.63MPa，理論上軋製後鋼管的硬度為401.7HBW，而檢測的開裂管硬度為326.3HBW。 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，導致軋製時開裂。

3. 改進措施及效果

3.1 改進措施

為了消除穿孔後加工硬化的影響採取再結晶退火工藝。 由於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。 所以在軋製前採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。
在滿足鋼管的强度及硬度前提下，利用冷軋45#鋼加工硬化函數曲線：S=660.39×0.7528設計合理的變形量，較大的變形量會使鋼管的强度、硬度過高，鋼管中產生較大的內應力在軋製或矯直時開裂，同時也不利於加工與使用。

3.2 實施效果

通過上述45#鋼無縫鋼管軋製開裂原因分析，將 ф 40 mm × 5.5 mm規格的穿孔毛管軋製成規格為 ф 24.5 mm × 4.6 mm的成品管，此時鋼管的斷面收縮率Z=51.7%，比採用 ф 51 mm × 5.5 mm規格的穿孔管軋製的成品管變形量减少了12個百分點，並在冷軋前將毛管進行上述的再結晶退火工藝。 經過對後續45#鋼無縫鋼管的生產跟踪，管體材質得到改善，檢測成品管的硬度約為256HB，再未出現管體軋製開裂現象，從而證明改進措施是有效的。

4. 結論

• 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326.3HBW，組織中珠光體硬度達到325.0 HV0.1。
• 2）45#圓鋼在穿孔及軋製後產生的加工硬化現象降低了鋼材的韌性及塑性，同時鋼管的軋製變形量過大達到了64.3%，使得在鋼管內部產生較大的內應力導致在軋製時開裂。
• 3）為了消除鋼管的加工硬化現象採用再結晶退火工藝：溫度為730℃，以80-100℃/h速度冷卻到160℃出爐空冷，並採用 ф 40 mm × 5.5 mm規格的穿孔毛管進行軋製，减小了軋製變形量。 跟踪生產鋼管管體質量得到改善，未出現軋製開裂現象。

作者：丁曄