夾雜物對不銹鋼無縫鋼管裂紋形成和變大的力學影響

 內外折是不銹鋼無縫鋼管生產過程中常見的缺陷，管坯中的夾雜物對上述缺陷的形成具有重要影響。浙江至德鋼業(yè)有限公司采用有限元方法，分析含條形MnS夾雜物的16Mn鋼受力后的應力、應變分布情況，以期得出夾雜物對不銹鋼管內折的影響。分析認為：MnS夾雜物與基體的邊界處存在應力、應變集中，而且夾雜物與基體的結合力又比較弱，導致裂紋形核在此處開始；裂紋尺寸越大，應力、應變越嚴重，裂紋擴展越快，越易達到擴展失穩(wěn)的臨界尺寸，從而形成內折缺陷；長條形夾雜物的端部存在較高的應力、應變集中，應嚴格控制長條形夾雜物的產生。

  在不銹鋼無縫鋼管生產過程中，內外折是最常見的缺陷，嚴重制約了產品質量的提高，增加了員工的修磨量和勞動強度。內外折本質上是金屬變形過程中產生的撕裂。通過掃描電鏡對裂紋的起裂點進行觀察，發(fā)現(xiàn)金屬裂紋形核的位置很多情況下存在夾雜物，裂紋形核如圖所示。至德鋼業(yè)采用有限元方法，分析16Mn鋼受到力學負荷后，其夾雜物對內部應力、應變分布的影響。

一、材料化學成分及組織

 16Mn鋼的化學成分見表，其組織為鐵素體，鐵素體晶粒尺寸為5.6~18.0μm，碳化物平均尺寸為0.46μm，其中含有條形MnS夾雜物。

二、有限元模型的建立

 16Mn鋼中MnS夾雜物分布如圖所示，以圖所示L-S面MnS的分布為基礎，建立二維平面應變有限元分析模型。

 如圖所示，在存在夾雜物的地方取600μm×600μm的正方形胞元，在胞元中放了不同形狀（圓形和長條形）、不同大小、不同方位的40多個夾雜物。但是為了減小邊界的影響，等于模型總長1/8的邊界不能放夾雜物。通過分區(qū)賦予的方式對不同區(qū)域賦予不同的材料屬性，由于基體首先進入彈性變形，然后再進入塑性變形，基體被賦予彈塑性材料屬性；MnS力學參數(shù)很難測定，而加載時，在低應變下其即可與基體剝離，自身保持為彈性，故對其賦予彈性體。在胞元的左右及上邊界以位移方式加載。

三、結論

 在夾雜物與基體的邊界和夾雜物的端部存在應力、應變集中，夾雜物與基體的結合力又比較弱，這里因此成為材料最薄弱的環(huán)節(jié)，而整個裂紋形核過程就是在此處開始的。不銹鋼無縫鋼管熱軋變形很大，微裂紋形成后，沿夾雜物與基體邊界擴展，最終形成比長條形夾雜物尺度略大的裂紋，而裂紋尺度越大，應力、應變集中越嚴重，裂紋擴展越快，越容易達到裂紋擴展失穩(wěn)的臨界尺寸，從而形成宏觀裂紋即內折缺陷。鋼通過鈣化處理后，條形夾雜物變成了球形，減小了夾雜物的最大尺寸，應力、應變集中程度得以弱化，鋼從而可以承受較大變形而不出現(xiàn)宏觀裂紋即內折缺陷。