分享：TA31合金冷轧管件断后伸长率偏低原因

• 刘晓勇, 
 
• 赵有鹏, 
 
• 李雪峰, 
 
• 徐宁, 
 
• 陈洁明, 
 
• 郭海霞

• 洛阳船舶材料研究所 海洋腐蚀与防护 全国重点实验室，洛阳 471023

钛合金具有高比强度和优异的耐腐蚀性，在石油化工和海洋工程装备领域应用广泛，如用于制造海洋石油平台的钻杆、立管、换热器、泵阀、石油化工反应器管路等结构[1-6]。某石油化工反应与分离系统的管路材料为TA31合金，该材料可以耐高温浓硫酸和有机酸腐蚀。管件在每道次冷轧后进行热处理，以消除上一道次的残余应力，在最终道次结束后进行力学性能测试，发现有约60%数量管件的断后伸长率低于设计要求（不低于12%），采用改变热处理温度的方法也无法提高其断后伸长率。笔者采用一系列理化检验方法对管件断后伸长率偏低的原因进行分析，以避免该类问题再次发生。

1.   理化检验

1.1   宏观观察

管件的宏观形貌如图1所示。由图1可知：管件内外表面均存在不均匀的氧化层，未见明显机械损伤痕迹或裂纹等缺陷；管件表面氧化较严重，表明管件在加工后未经过酸洗或机械加工，以去除表面层。

图  1  管件的宏观形貌

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1.2   化学成分分析

从管件上取样，对试样进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：管件的化学成分符合GB/T 3620.1—2016《钛及钛合金牌号和化学成分》对TA31合金的规定。

Table  1.  管件的化学成分分析结果

项目	质量分数
	C	Fe	Si	Al	Mo	Zr	Nb	O	N	H
实测值	0.009 1	0.021	0.011	6.12	1.12	1.76	2.92	0.085	0.002 1	0.003 2
标准值	≤0.1	≤0.25	≤0.15	5.5~6.5	0.6~1.5	1.5~2.5	2.5~3.5	≤0.15	≤0.05	≤0.015

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1.3   力学性能测试

从管件上截取3个板状拉伸试样，其中一个试样保留原始表面，编号为试样1；将试样内表面铣平后再去掉0.6 mm表面层，外表面磨削加工去除0.6 mm厚度，编号为试样2，外表面为弧面，故经过磨削后仍在试样边缘保留较窄的一条表面层；将试样内外表面完全铣平后再磨削去除0.6 mm厚度，以完全去除表面层，编号为试样3。对3个试样进行拉伸性能测试，结果如表2所示，试样1，2拉断后的宏观形貌如图2所示。由表2和图2可知：完全去除表面层后，试样断后伸长率提升至13.5%，达到了管件验收的技术要求；保留原始表面试样拉断后，表面出现龟裂特征，部分去除原始表面后，龟裂层不存在，外表面残留的表面层处出现龟裂特征，说明龟裂特征与表面层具有直接相关性。

Table  2.  管件试样的力学性能测试结果

项目	屈服强度/MPa	抗拉强度/MPa	断后伸长率/%
试样1实测值	761	934	8.0
试样2实测值	765	932	11.0
试样3实测值	759	932	13.5
技术要求	758~965	≥862	≥12

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图  2  试样1，2拉断后的宏观形貌

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1.4   扫描电镜（SEM）及能谱分析

对试样1拉伸后的断口进行扫描电镜及能谱分析，结果如图3所示。由图3可知：断口近外表面处存在宽度约为200 μm的脆性解理区域，其他区域以韧窝形貌为主，表明材料表面存在脆性层；解理区域未见异常夹杂、夹渣等缺陷；对解理区域进行能谱分析，发现在靠近表面区域的Fe、Si、C、O等元素含量较高，为工艺过程中轧制装置中的含铁氧化物及润滑油脂中的有机物残留等所致；对远离表面的解理区域进行能谱分析，发现该区域不存在异常元素。

图  3  试样1拉伸后的断口SEM形貌及能谱分析结果

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对试样2拉伸后的断口进行扫描电镜分析，结果如图4所示。由图4可知：去除表面层后，仅在残留表面层处发现脆性区域，其他区域均呈韧窝特征，进一步表明解理断裂区域的产生与表面层有直接关系。

图  4  试样2拉伸后的断口SEM形貌

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1.5   金相检验

从管件上截面取金相试样，对试样进行金相检验，结果如图5所示。由图5可知：管材内表面α层厚度为200~300 μm，外表面α层厚度为100~150 μm，内表面存在较多的折叠缺陷，最深可达400~500 μm，统计折叠缺陷的密度为每1 500 μm有4~5个；外表面未见折叠缺陷；试样的心部组织为等轴双态组织+晶间β相，心部组织正常。

图  5  管件的微观形貌

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2.   综合分析

送检管件的化学成分合格、心部显微组织正常，其屈服强度及抗拉强度满足技术要求，断后伸长率低于技术要求。管材内外表面均存在α层，内表面α层厚度为200~300 μm，外表面α层厚度为100~150 μm。α层处对应的断口形貌呈解理特征，其他区域呈韧窝特征。α层处在拉伸试验后呈龟裂特征，去除一部分该层后，再进行拉伸试验，断口附近的龟裂特征消失，且断后伸长率由8%提升至11%，完全去除表面层后，管件的断后伸长率进一步提升至13.5%。表明α层与断口的微观解理特征、宏观龟裂特征、断后伸长率较低有直接关系。α层是在高温下氧元素和氮元素扩散至钛合金内部形成的一层硬脆层，α层的存在会导致材料表面的塑性和韧性不足，并产生表面缺陷[7-9]，在拉伸试验过程中，裂纹从表面起裂并产生缺口效应，而不含α层的试样在伸长至断裂过程中心部产生缺陷，缺陷缓慢聚集成为可扩展的微孔，并发生颈缩断裂，因此表面α层显著改变了试样在拉伸试验过程中的受力及裂纹萌生和扩展形式，从而显著降低了材料的断后伸长率。

另一方面，管件内表面存在大量尺寸为200~500 μm的折叠缺陷，导致材料在拉伸过程中产生局部应力集中，进而降低了材料的力学性能。折叠缺陷的产生与α层未去除干净有一定关系，由α层的变形能力较差，在冷轧过程中易发生α层开裂，导致材料产生折叠缺陷[10-11]。因此在加工过程中，应完全去除每道次冷轧产生的α层和折叠缺陷。

3.   结论和建议

送检管材断后伸长率较低的原因为管材表面存在脆性α层和大量折叠缺陷，导致材料产生应力集中，并萌生了裂纹，裂纹不断扩展，导致材料的断后伸长率降低。

建议每道次冷轧+热处理后，均将表面α层和折叠层去除干净。