小口径薄壁不锈钢管扩口产生裂纹的原因

小口径薄壁不锈钢管主要用于航空、医疗器械、食品及试验设备等方面，可能需要进行扩口，但是当不锈钢管壁较薄时，一旦生产工艺中某道次的中间退火或变形不当，便容易在扩口后出现裂纹甚至开裂。本文就来说说小口径薄壁不锈钢管扩口产生裂纹的原因。

以4根规格为φ6.0×0.6的光亮退火304不锈钢管为例。其中1^#、3^#扩口合格，2^#、4^#扩口不合格，出现了裂纹；取合格的1^#和不合格的4^#进行观察。对成品φ6.0×0.6不锈钢管的生产过程进行跟踪，并对各环节的性能变化进行检测。其加工工序为：扩口前：φ15.8x0.7，退火处理；1道次拉拔，φ12.5x0.75，退火处理；2道次拉拔，φ10.85×0.75，退火处理；3道次拉拔，φ8.9×0.79，退火处理；4道次拉拔，φ6.95×0.85，退火处理；5道次拉拔，φ6.0×0.6。退火温度采用大于980℃的软化退火。

一、扩口合格与不合格管的分析比较

从表1可以看出，不合格的4^#管的硬度比合格的1^#管的高些，平均硬度达到234.7HV₁。对其微观组织进行观测，结果如图1。可以发现，不论是横向还是纵向，4^#管的晶粒都比1^#管的小，尤其是横向组织更为明显。而且在4^#组织中存在较多的退火孪晶。

对于具有面心立方结构的金属来说，在通常的塑性变形过程中，变形主要以滑移为主，而滑移是通过位错滑移实现的，在滑移的过程中产生了位错的增殖，使晶体内部的位错密度急剧增加，正是这些高密度的位错，使晶体滑移受阻，材料产生加工硬化。在良好退火的晶体中，位错密度大约为10⁶个/cm²，而强烈冷作硬化的晶体中的位错密度可达10¹¹~10¹²个/cm²之多。

对不稳定型的奥氏体不锈钢，冷加工也会使其位错密度升高。有资料显示，在室温下，拉伸、弯曲和轧制过程均产生形变诱发马氏体，且马氏体含量随冷加工变形量的增加而增大。304奥氏体不锈钢在形变过程中不同程度地出现层错、形变孪晶、应变诱发马氏体，并在晶界与退火孪晶附近形成位错塞积和位错胞状组织。这些形变组织结构均可导致加工硬化。

退火的主要目的是消除材料的内应力并降低硬度，提高小口径薄壁不锈钢管的可成形性能。而退火后硬度值过高说明退火软化效果差，残余应力没有充分释放，因为残余应力引起的晶格畸变也会使硬度值改变。残余应力的存在导致在扩口时容易在应力集中的地方产生裂纹。

以上不利因素的存在，导致了扩口裂纹的产生。因此，在热处理时只有加热温度和保温时间都满足，才能使晶粒足够长大，残余应力充分释放，才能使其韧性得以提高。如果加工过程中每道次的中间热处理不能让残余应力充分释放，即加工硬化不能完全恢复的话，会累积下来影响到最后成品的硬度。因此，在加工过程中应尽量避免有硬度积累的环节产生。

二、加工过程中产生硬度积累环节分析

1. 硬度与拉拔道次的关系

由图2看出，随拉拔加工道次的增加其硬度值在逐渐增大，即随加工管径的逐渐变小，其热处理后的硬度逐渐升高，说明连续拉拔加工会导致其硬度升高。虽然每一道次拉拔之后都有中间退火处理，但并不能使其恢复到原始的硬度状态，说明中间退火处理不能使残余应力完全消除，即加工硬化没有完全清除，而且随拉拔道次的增加，这种状况在逐渐积累。

由硬度与管径的散点图（图3）看出，随拉拔管径变小，其硬度呈近似线性增长。

2. 硬度差与伸长系数的变化

从图4看出，伸长系数大时其硬度增加的多些，而伸长系数小时其硬度增加的较小。但是当φ10.85x0.75→φ12.5×0.75时，伸长系数为1.163，而其硬度增加了36HV₁，硬度增长最快。这是由于在φ10.85×0.75时选用了3档低档电流退火，为使其温度升到980℃，必须延长加热时间，导致退火软化效果不良，引起硬度增加很快。说明此时选择3档低档电流退火是不适合的。

去掉上面这个例外的数据，进一步对硬度差与延伸系数的关系进行分析，可以发现，随伸长系数的增大，拉拔加工后硬度升高速度加快。

从小口径薄壁不锈钢管扩口产生裂纹的原因可知，退火软化效果不良造成硬度较高，容易产生扩口裂纹。成品管的直径越小，加工道次越多，其硬度越高，即扩口不合格的几率越大。要保证生产合格的不锈钢管，其拉拔道次不能过多，拉拔过程中单道次的伸长系数不能过大，中间热处理环节的电流档次要选择适当。