分享：无缝钢管表面异常磁痕产生原因

对某无缝钢管进行磁粉检测时,发现其管体表面磁粉聚集成细线状,对其进行着色渗透检测,并未在试样表面发现开口型缺陷,在钢管上截取试样,并对试样进行打磨、抛光后,再次进行磁粉检测,磁痕仍存在且保持原状。该钢管规格为89 mm×10 mm（外径×壁厚）,材料牌号为27SiMn钢。 

磁粉检测利用磁粉聚集来显示工件上的不连续及缺陷,一般将材料的不连续和缺陷分为3类,即假磁痕、非相关性磁痕、相关性磁痕。假磁痕不是由磁力引起的,一般与工件表面状态有关,如锈蚀、表面粗糙等；非相关性磁痕一般由工件加工面突然变化、金属流线、加工硬化以及金相组织不一致等引起；相关性磁痕是由材料缺陷引起的,如裂纹、白点、发纹、夹杂物及疏松等[1]。 

笔者采用热酸腐蚀试验、金相检验、扫描电镜（SEM）和能谱分析、电子探针分析等方法对异常磁痕产生原因进行分析,以防止该类问题再次发生。 

1.   理化检验

1.1   热酸腐蚀试验

对该无缝钢管进行热酸腐蚀试验,发现管体外表面存在3个条状异常区域,宏观形貌表现为条状区域内存在断续的腐蚀沟,与管体轴线成15°,3个条状区域周向间隔为120°,其宏观形貌如图1所示。 

图  1  条状异常区域宏观形貌

1.2   金相检验

在管体上沿条状异常区域切取试样,对试样进行金相检验,结果如图2所示。由图2可知：该无缝钢管基体组织为珠光体＋铁素体,异常处为带状组织,含有马氏体和残余奥氏体。对金相试样进行非金属夹杂物评级和晶粒度评级,夹杂物含量和晶粒度均正常,结果如表1所示。 

图  2  条状异常区域显微组织形貌

1.3   扫描电镜和能谱分析

对无缝钢管进行热酸腐蚀试验后,在条状异常区域截取试样,将试样置于扫描电子显微镜下观察,其背散射电子（BSE）图像如图3所示,二次电子（SE）图像如图4所示。由图3~4可知：异常区域颜色较深,SE形貌与其他部位略有不同。 

图  3  条状异常区域BSE图像

图  4  条状异常区域SE图像

在该无缝钢管异常区域处截取试样,对试样横截面进行研磨抛光,再对其进行能谱分析,不能分辨异常区域,这是因为异常区域结构与其他部位差别较小,无法分辨。条状异常区域横截面SE图像如图5所示。能谱分析位置如图6所示,结果如表2所示。由表2可知：谱图1和谱图3中Si元素和Mn元素的含量略高。 

图  5  条状异常区域横截面SE图像

图  6  条状异常区域能谱分析位置

1.4   电子探针分析

采用电子探针对管体异常区域进行化学成分分析,分析位置如图7所示。其中,a1为组织正常区域,a2为条状区域（靠近外壁）,a3为条状区域（靠近内部）。分析结果如表3所示,由表3可知：组织异常区域的Cr、Si、Mn元素含量高于基体中对应元素含量。 

图  7  异常区域电子探针分析位置

2.   综合分析

热酸腐蚀试验后,发现无缝钢管管体外表面存在3条条状异常区域,这些条状区域周向间隔为120 ℃,与管体轴线成15°,条状区域内存在断续的腐蚀沟。 

金相检验发现该无缝钢管基体组织为珠光体+铁素体,磁痕区的组织为带状组织,含有马氏体+残余奥氏体；非金属夹杂物化学成分正常。能谱分析和电子探针分析结果表明,带状组织区域的Cr、Si、Mn元素含量高于基体对应元素含量,可见该区域存在成分偏析。 

Cr、Mn、Si元素的偏析在很大程度上提高了该区域奥氏体的化学稳定性,增大了马氏体相变的切变阻力,加上Cr、Mn合金元素偏聚,降低了该区域的马氏体转变起始温度,提高了其淬透性,在轧制冷却时材料出现马氏体和残余奥氏体[2]。 

通过上述分析,可以推断该无缝钢管的异常磁痕不是裂纹、夹杂物等缺陷,属于非相关性磁痕,是由显微组织不一致造成的。 

根据磁粉检测原理,在一定的磁粉检测灵敏度下,导磁率变化梯度较大处都会发生磁粉聚集（即磁痕）[3]。不同显微组织的磁导率不同,磁导率从大到小依次为：铁素体、珠光体、回火马氏体、未回火马氏体,残余奥氏体是无磁相[4]。因此,在磁粉检测过程中,对钢管磁化时,无磁性的残余奥氏体形成漏磁场,导致材料产生异常磁痕。 

另外,马氏体的硬度较高,其矫顽力比基体处的矫顽力大,也会增加异常磁痕显示。 

3.   结论

（1）异常磁痕不是裂纹、夹杂物等缺陷,属于非相关性磁痕,是由显微组织不一致造成的。 

（2）异常磁痕区存在断续的带状偏析,Cr、Si、Mn合金元素含量相对较高,组织为马氏体和残余奥氏体；磁粉检测过程中,对钢管磁化时,无磁性的残余奥氏体形成漏磁场,导致异常磁痕。另外,马氏体的硬度较高,其矫顽力比基体处的矫顽力大,也会增加异常磁痕显示。 

（3）从异常磁痕分布看,这种带状偏析沿着与管体轴向成约15°螺旋方向分布,推断其对纵向和横向拉伸性能影响不大。

文章来源——材料与测试网