42MnMo7无缝钢管开裂分析_黄佑启.pdf

金 属 材 料 与 冶 金 工 程第51卷第1期42MnMo7无缝钢管开裂分析黄佑启（衡阳华菱钢管有限公司，湖南 衡阳 421001）摘要：通过化学成分分析、金相检验和扫描电镜观察等方法，对42MnMo7地质钻杆用无缝钢管在拉伸试验过程中出现的夹持端开裂原因进行了分析。结果表明：材料成分正常，非金属夹杂物控制在较低水平；但裂纹附近的金相组织分析发现钢管内壁存在马氏体等异常组织，并呈现明显的自回火特征，冲击断口呈现典型的解理断口形貌。经调查发现，生产过程中高压水除鳞水环故障导致冷却水从管端进行入钢管内壁，使钢管内壁局部发生马氏体转变，严重部位甚至出现了淬火裂纹，从而导致材料性能恶化，在受到夹持力时发生开裂或二次扩展，最后作者对此提出了相应的改进措施和建议。关键词：地质钻杆管；淬火裂纹；马氏体转变；自回火中图分类号：TG306；TG335.1文献标识码：A文章编号：2095-5014（2023）01-0020-0542MnMo7 Seamless Steel Pipe Cracking AnalysisHUANG Youqi（Hengyang Valin Steel Tube Co.，Ltd.，Hengyang 421001，China）ABSTRACT：Through chemical composition analysis，metallographic inspection and scanningelectron microscopy observation，the causes of cracking at the clamping end of the seamless steelpipe for 42MnMo7 geological drill rod during tensile test were analyzed.The results show that thecomposition of the material is normal，and the non-metallic inclusions are controlled at a low level，but the metallographic structure analysis near the crack finds that there are abnormal structures suchas martensite on the inner wall of the steel pipe，there are obvious self-tempering characteristics，and the impact fracture shows a typical cleavage fracture morphology.Investigation shows that thefailure of the high-pressure water descaling water ring，transfers the cooling water from the end ofthe pipe into the inner wall of the steel pipe，so that the maltensitic transformation occurs locally onthe inner wall of the steel pipe，and even the quenching crack appears in the worse parts，resultingin deterioration of material properties and cracking or secondary expansion when subjected toclamping force.At the end，the author put forward corresponding measures and suggestions for this.KEY WORDS：geological drill pipe；quenching crack；martensitic transformation；self-tempering收稿日期：2022-04-05作者简介：黄佑启（1984），男，高级工程师，硕士，主要从事无缝钢管产品开发及工艺研究。金 属 材 料 与 冶 金 工 程Metal Materials And Metallurgy Engineering第51卷第1期2023年2月Vol.51 No.1Feb.202342MnMo7牌号是德国曼特斯曼公司根据美国石油协会标准API 5CT开发的新钢种，主要用来生产 N80级非热处理油套管。由于热轧状态下的组织几乎为全贝氏体，该材料强度高。因此，我国部分厂家利用其热轧强度高的特性用来生产DZ50、DZ55级别的地质钻探用管1。地2023年第1期黄佑启：42MnMo7无缝钢管开裂分析质钻探用无缝钢管的作业深度为几百、甚至几千米地层深处，作业条件复杂；不仅要承受垂直方向的拉力及地层带来的压缩、弯曲、扭转和不均衡冲击载荷等应力作用，地质管内部还要承受泥浆、岩石的磨损和侵蚀。因此，地质用管必须在具有足够的强度、硬度、耐磨性的同时，还需要一定的抗冲击性能。某公司在对生产、加工的50 mm6.5 mm规格42MnMo7地质钻探管进行力学性能试验时出现了夹持端开裂的情况，这种开裂形式极为少见，因此为找出夹持端开裂的原因，取样进行理化检验和分析，并结合检验和分析结论提出了改进措施及建议。1理化检验1.1宏观观察钢管在加工成弧形试样进行力学性能试验时，试样两端夹持端（肩部）发生纵向开裂现象，如图1所示。1.2化学成分分析在开裂缺陷样上取样进行化学成分分析，结果如表所示。出现开裂缺陷钢管的成分满足客户要求，且成分中硫、磷、氧、氮含量都控制在较低的水平，远远低于标准规定的水平，说明该材料在炼钢过程中坯料成分和有害元素等得到很好的控制。1.3机械性能分析夹持端出现开裂材料的力学性能见表 2。从表 2 可以看出开裂管的强度满足出厂要求，但相对于该牌号正常性能分析区间而言，存在强度偏高，伸长率偏低甚至无法满足标准要求的情况。图1 夹持端开裂宏观形貌Fig.1 Macroscopic morphology of the clampingend cracking表1 缺陷样上化学成分（质量分数）Table 1 Chemical composition of defective samples（wt%）元素实测值客户要求C0.460.400.46Si0.250.150.35Mn1.751.61.85P0.0110.025S0.0070.020Mo0.1980.150.25Cr0.050/N0.008/O0.001 1/表2 机械性能实验结果Table 2 Mechanical property test results类型断裂钢管实测值42MnMo7正常性能分布区间出厂标准值屈服强度Rp0.2/MPa675/664550620520抗拉强度Rm/MPa965/960810915780伸长率A50/%13161915室温冲击功10555 mm Akv2/J9/6/81520/1.4微观分析考虑到夹持开裂处的原始缺陷已经受外力破坏，为保证分析的准确性，不在夹持开裂处取样分析，而在夹持开裂处对应母管相邻位置取样进行原始缺陷分析。1.4.1金相分析对钢管进行全壁厚金相组织观察，钢管壁厚方向上组织呈现明显的不一致现象，靠内表面组织为马氏体、宽度为4.23 mm，靠外表面组织为贝氏体、宽度为1.87 mm以及过渡区的马氏体与贝氏体混合组织，如图2所示。裂纹长3.49 mm，完全处于靠内壁的马氏体21金 属 材 料 与 冶 金 工 程第51卷第1期组织区域内，裂纹起源于钢管内表面并沿壁厚方向扩展，裂纹两侧无明显的氧化脱碳现象，裂纹较直，周围没有分枝的小裂纹，从形貌上看为典型的淬火裂纹2，如图3所示；内壁马氏体组织分布区域的高倍组织如图4所示，可见在浅灰色的马氏体基体上分布着黑色的针状马氏体，呈现明显的自回火特征3。1.4.2断面分析对冲击断口进行电镜观察，如图5所示。断口呈现典型的解理断口形貌，河流花样特征非常明显，说明材料的韧性很差。1.4.3非金属夹杂物分析在靠近裂纹区域进行纵向切截，观察裂纹附近的非金属夹杂物情况，如图6所示，非金属夹杂物 A类 0级，B类 0级，C类 0级，D类 0.5级，DS类0级，可见该炉号炼钢过程非金属夹杂物控制得非常好。图2 钢管壁厚方向各个组织差异Fig.2 Different structures in the wall thickness direction图3 主裂纹宏观形貌Fig.3 Macroscopic morphology of the main crack图4 内壁马氏体组织形貌Fig.4 Morphology of martensite on the inner wall图5 冲击断口扫描电镜观察Fig.5 Scanning electron microscopy observationof impact frature图6 裂纹区域附近非金属夹杂物分析Fig.6 Analysis of non-metallic inclusionsnear crack region222023年第1期2分析和讨论2.142MnMo7材料的连续冷却转变曲线通过查询大量资料，42MnMo7材料的连续冷 却 转 变（Continuous Cooling Transformation，CCT）曲线如图 7所示。根据 Steven和 Haynes公式，马氏体组织的转变点温度MS可以用下列公式进行计算4：MS=561-474WC-33WMn-17WNi-17WCr-21WMo（1）式中：WC，WMn，WNi，WCr，WMo分别表示合金元素的质量百分比。42MnMo7 材料中含有 0.15%0.25%的 Mo，Mo在钢中可以明显地延迟珠光体组织的转变，同时该材料的碳含量分布范围为0.40%0.46%，所以随着碳含量的增加，马氏体转变温度降低，甚至低于300。从图7可以看出，42MnMo7材料 的 AC1、AC3和 MS分 别 为 712 ，770 和274，该材料满足冷却速度0.3/s时，就会发生贝氏体转变，因此42MnMo7在热轧空冷条件下（冷速约0.5/s），大部分奥氏体组织将转变成贝氏体5。钢管内壁出现的马氏体组织，可以认为钢管内壁局部冷速达到马氏体转变的临界；同时，马氏体基体上存在黑色的针状马氏体，呈现明显的自回火特征，说明钢管在AC3以上，即在770 某个温度内壁局部区域、短时间内出现了快速冷却现象，导致组织应力超过材料本身塑性变形极限，从而出现淬火裂纹。经调查当班高压水除鳞水环出现故障，导致冷却水从管端进行入钢管内壁，因钢管壁厚太薄（6.5 mm）导致钢管内壁局部出现短时间的淬火现象，局部区域甚至出现了淬火开裂，马氏体组织因韧性太差在受到夹持力时发生开裂或裂纹二次扩展情况，后续应增加退火工序，使非正常组织发生转变6，对于存在开裂现象的材料应整批进行超声波探伤，对不合格钢管进行分选，以避免不合格钢管出厂。2.242MnMo7材料钢种特性分析42MnMo7钢为贝氏体钢，强度高、塑性低，脆性大、冷加工性能差。相关资料显示，要提高钢的塑性与韧性的途径可以从以下几个方面进行研究：（1）晶粒细化7，因为贝氏体钢的有效晶粒尺寸和奥氏体晶粒尺寸的关系要比铁素体、珠光体钢密切，所以在贝氏体转变之前最大程度的减小奥氏体晶粒的尺寸，获得细小的晶粒以改善钢韧性，其中添加细化晶粒的元素，以及采用合理的热处理工艺是细化晶粒提高冲击韧性的有效措施。（2）降低钢中的 P、S 等其它有害元素含量，减少钢中的非金属夹杂物含量，降低钢中有害元素含量，则可以减少它们在晶界的偏聚，使材料延迟破坏以及环境脆化的敏感程度大大降低；而非金属夹杂物是