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Analisi della formatura a caldo di gomiti in acciaio inossidabile WP304

Analisi delle cause della fessurazione della parete interna dei gomiti in acciaio inossidabile WP304 durante la formatura con piegatura a caldo

Astratto: Acciaio inossidabile WP304, come materiale di acciaio inossidabile austenitico ampiamente utilizzato, è ampiamente applicato nei componenti a gomito del settore petrolchimico, industria aerospaziale, e campi dell'ingegneria navale grazie alla sua eccellenza corrosione resistenza, Proprietà meccaniche, e stabilità alle alte temperature. La formatura con piegatura a caldo è un processo di produzione tradizionale per i gomiti in acciaio inossidabile, caratterizzato da un’elevata efficienza produttiva, buona qualità di formatura, e forte adattabilità a forme complesse. tuttavia, La rottura della parete interna si verifica spesso durante il processo di formatura di piegatura a caldo dei gomiti in acciaio inossidabile WP304, che incide gravemente sul tasso di qualificazione del prodotto, aumenta i costi di produzione, e comporta anche potenziali rischi per la sicurezza della successiva manutenzione dei gomiti. Per risolvere questo problema tecnico, questo articolo conduce uno studio approfondito sulle cause della fessurazione della parete interna dei gomiti in acciaio inossidabile WP304 durante la formatura con piegatura a caldo.

Innanzitutto, il documento approfondisce le caratteristiche del materiale dell'acciaio inossidabile WP304, compresa la sua composizione chimica, microstruttura, e proprietà meccaniche alle alte temperature, gettare le basi teoriche per analizzare il meccanismo di cracking. in secondo luogo, introduce il principio di base e i parametri di processo chiave del processo di formatura con piegatura a caldo, e chiarisce la legge di distribuzione sforzo-deformazione del gomito durante il processo di formatura, in particolare il fenomeno della concentrazione degli sforzi sulla parete interna. Poi, attraverso una combinazione di ricerche bibliografiche, analisi sperimentale, e simulazione agli elementi finiti, vengono analizzate sistematicamente le principali cause di fessurazione delle pareti interne, compresi i fattori materiali (come le inclusioni, formato di grano, e stress residuo), fattori di processo (come la temperatura di formazione, velocità di spinta, progettazione dello stampo, e uniformità del riscaldamento), e fattori ambientali (come l'ossidazione e la decarburazione). Finalmente, vengono proposte corrispondenti misure preventive e di controllo in base alle cause della fessurazione, come ottimizzare la composizione chimica del materiale, migliorare il processo di trattamento termico, ottimizzando i parametri del processo di piegatura a caldo, e migliorare la struttura dello stampo.

I risultati della ricerca mostrano che la rottura della parete interna dei gomiti in acciaio inossidabile WP304 durante la formatura con piegatura a caldo è il risultato completo di molteplici fattori. Tra loro, l'irragionevole corrispondenza tra temperatura di formatura e velocità di spinta, il riscaldamento irregolare del pezzo grezzo, la struttura irragionevole della matrice porta ad un'eccessiva concentrazione di sollecitazioni sulla parete interna, e la presenza di inclusioni dannose nel materiale sono i fattori chiave che causano le fessurazioni. Le misure preventive proposte in questo documento possono ridurre efficacemente il verificarsi di fessurazioni nelle pareti interne, migliorare il tasso di qualificazione del prodotto dei gomiti in acciaio inossidabile WP304, e fornire supporto tecnico per la produzione stabile ed efficiente delle imprese. Questo studio ha un importante significato teorico e un valore applicativo pratico per migliorare il livello di produzione dei gomiti in acciaio inossidabile WP304 e garantire il funzionamento sicuro delle apparecchiature di ingegneria.

parole: Acciaio inossidabile WP304; gomito; formatura con piegatura a caldo; fessurazione della parete interna; analisi delle cause; misure preventive

1. introduzione

1.1 Contesto e significato della ricerca

In anni recenti, con il rapido sviluppo del settore petrolchimico globale, energia nucleare, industria aerospaziale, e industrie di ingegneria navale, la richiesta di alte prestazioni pipeline i componenti sono in aumento. Come importante componente di collegamento nei sistemi di tubazioni, i gomiti svolgono un ruolo cruciale nel cambiare la direzione del flusso del fluido e garantire il regolare funzionamento della tubazione. L'acciaio inossidabile WP304 è un acciaio inossidabile austenitico con un sistema di leghe Cr-Ni, che ha un'eccellente resistenza alla corrosione (soprattutto contro gli atmosferici, acqua, e mezzi chimici), buona resistenza e tenacità alle alte temperature, ed eccellente formabilità e saldabilità. Perciò, I gomiti in acciaio inossidabile WP304 sono ampiamente utilizzati in ambienti di lavoro difficili come alta temperatura, ad alta pressione, e forte corrosione.

La formatura con piegatura a caldo è un processo maturo ed efficiente per la produzione di gomiti in acciaio inossidabile. Rispetto ad altri processi di formatura come la formatura per stampaggio e la formatura per forgiatura, La formatura con piegatura a caldo presenta i vantaggi di un flusso di processo semplice, alta efficienza di produzione, basso costo dello stampo, e buona uniformità dello spessore della parete del gomito formato. È particolarmente adatto per la produzione in serie di gomiti con diversi diametri e raggi di curvatura. tuttavia, nel processo produttivo vero e proprio, a causa delle complesse modificazioni fisico-chimiche e degli stati tenso-deformativi del materiale durante la lavorazione a caldo, è probabile che si verifichino vari difetti nei gomiti formati, tra i quali la fessurazione delle pareti interne è uno dei difetti più comuni e dannosi.

La fessurazione della parete interna dei gomiti in acciaio inossidabile WP304 non ridurrà solo le proprietà meccaniche (come la forza, tenacità, e resistenza alla fatica) dei gomiti ma forniscono anche canali per l'infiltrazione di mezzi corrosivi, accelerando la rottura per corrosione dei gomiti. Nei casi più gravi, potrebbe anche causare perdite nella tubazione, causando gravi incidenti di sicurezza e perdite economiche. Per esempio, in un impianto petrolchimico a 2022, si è verificato un incidente con una perdita nella tubazione a causa della rottura di un gomito in acciaio inossidabile WP304 durante il servizio, con conseguente fuoriuscita di sostanze tossiche e nocive, che non solo ha causato perdite economiche dirette superiori a 5 milioni di yuan, ma rappresentava anche una seria minaccia per l’ambiente circostante e la sicurezza del personale. Successive indagini hanno scoperto che la causa principale della rottura del gomito era l'esistenza di microfessure sulla parete interna formatesi durante il processo di formatura con piegatura a caldo, che si è gradualmente espanso sotto l'azione di stress di servizio a lungo termine e di mezzi corrosivi.

Perciò, condurre ricerche approfondite sulle cause della fessurazione della parete interna dei gomiti in acciaio inossidabile WP304 durante la formatura con piegatura a caldo, e proporre misure preventive mirate, è di grande importanza pratica per migliorare la qualità del prodotto dei gomiti, Ridurre i costi di produzione, garantire il funzionamento sicuro dei sistemi di condutture, e promuovere il sano sviluppo delle industrie correlate. Allo stesso tempo, tale ricerca potrà inoltre arricchire il sistema teorico della lavorazione a caldo dell'acciaio inossidabile austenitico, fornendo un riferimento per lo studio dei problemi di fessurazione in altri processi simili di formatura a caldo.

1.2 Stato della ricerca in patria e all'estero

In questo momento, molti studiosi in patria e all'estero hanno condotto ricerche pertinenti sul processo di formatura a caldo e sul controllo dei difetti dei gomiti in acciaio inossidabile. Per quanto riguarda il processo di formatura con piegatura a caldo, studiosi stranieri hanno condotto studi approfonditi sul meccanismo di formatura e sull'ottimizzazione dei parametri di processo. Per esempio, Smith et al. (2020) utilizzato un software di simulazione agli elementi finiti per simulare il processo di formatura con piegatura a caldo dei gomiti in acciaio inossidabile austenitico, analizzato la legge di distribuzione sforzo-deformazione del gomito durante la formatura, e scoprì che la parete interna del gomito era sottoposta a sollecitazione di compressione e la parete esterna era sottoposta a sollecitazione di trazione, e la concentrazione dello stress era più evidente nell'arco interno del gomito. Hanno inoltre studiato l'influenza della temperatura di formatura e della velocità di spinta sulla qualità della formatura, e ha proposto che l'intervallo di temperatura di formatura ottimale per l'acciaio inossidabile austenitico fosse 1050 ℃ -1150 ℃.

Gli studiosi nazionali hanno ottenuto notevoli risultati anche nella ricerca sulla formatura a caldo di gomiti in acciaio inossidabile. Li et al. (2021) ha studiato l'influenza dei metodi di riscaldamento sulla qualità di formatura dei gomiti in acciaio inossidabile WP304. I risultati hanno mostrato che un riscaldamento non uniforme porterebbe ad una distribuzione non uniforme della temperatura del pezzo grezzo, con conseguente sollecitazione-deformazione irregolare durante la formatura, che è stata una causa importante di fessurazione della parete interna. Wang et al. (2023) analizzato l'evoluzione della microstruttura dell'acciaio inossidabile WP304 durante la formatura a pressopiegatura a caldo, e hanno scoperto che la crescita dei grani e la ricristallizzazione avvenivano nel materiale ad alte temperature, e la dimensione del grano ha avuto un'influenza importante sulla formabilità del materiale. Grane eccessivamente grosse ridurrebbero la tenacità del materiale, rendendolo soggetto a fessurazioni durante la formatura.

In termini di cause di rottura della parete interna dei gomiti in acciaio inossidabile, gli studiosi hanno avanzato punti di vista diversi. Alcuni studiosi ritengono che i fattori materiali siano le cause principali, come l'esistenza di inclusioni dannose (come gli ossidi, solfuri) nel materiale, che diventerà la fonte di crepe e porterà alla fessurazione sotto l'azione dello stress di formazione. Altri studiosi ritengono che i fattori di processo siano più critici, come parametri di processo irragionevoli (temperatura di formatura troppo alta o troppo bassa, velocità di spinta troppo elevata), progettazione dello stampo irragionevole (raggio di curvatura troppo piccolo, scarsa qualità della superficie dello stampo), ecc., che porterà ad un'eccessiva concentrazione dello stress sulla parete interna del gomito, con conseguente fessurazione. Inoltre, alcuni studiosi hanno studiato anche l'influenza dei fattori ambientali sulla fessurazione, come l'ossidazione e la decarburazione della superficie del materiale ad alte temperature, che ridurrà la qualità della superficie e le proprietà meccaniche del materiale, rendendolo soggetto a fessurazioni.

Sebbene gli studi esistenti abbiano fatto alcuni progressi nella ricerca sulla formatura per piegatura a caldo e sulla fessurazione delle pareti interne dei gomiti in acciaio inossidabile, ci sono ancora alcune carenze. Per esempio, la maggior parte degli studi si concentra su un singolo fattore che causa la fessurazione, e manca un’analisi sistematica e completa dell’effetto globale di molteplici fattori. Inoltre, la ricerca sul meccanismo di rottura dell'acciaio inossidabile WP304 durante la formatura con pressoflessione a caldo non è sufficientemente approfondita, e le misure preventive mirate proposte non sono sufficientemente complete. Perciò, è necessario condurre ulteriori ricerche approfondite su questo tema.

1.3 Obiettivi e ambito della ricerca

Gli obiettivi principali di questo documento sono i seguenti: (1) Per chiarire le caratteristiche del materiale dell'acciaio inossidabile WP304, in particolare le proprietà meccaniche e l'evoluzione della microstruttura alle alte temperature, e gettare una base teorica per analizzare il meccanismo di cracking. (2) Padroneggiare il principio di base del processo di formatura con piegatura a caldo dei gomiti in acciaio inossidabile WP304 e la legge di distribuzione sforzo-deformazione durante la formatura. (3) Analizzare sistematicamente le principali cause di fessurazione delle pareti interne dei gomiti in acciaio inossidabile WP304 durante la formatura a caldo, compresi i fattori materiali, fattori di processo, e fattori ambientali. (4) Proporre misure preventive e di controllo mirate in base alle cause delle fessurazioni, in modo da ridurre il verificarsi di crepe nella parete interna.

L'ambito di ricerca di questo documento è limitato al problema della rottura della parete interna dei gomiti in acciaio inossidabile WP304 durante la formatura con piegatura a caldo. Il contenuto della ricerca include le caratteristiche del materiale dell'acciaio inossidabile WP304, i parametri del processo di formatura con piegatura a caldo, la struttura dello stampo, i fattori ambientali durante la formatura, eccetera. I metodi di ricerca includono la ricerca bibliografica, analisi sperimentale (come l'analisi metallografica, test delle proprietà meccaniche, e analisi delle fratture), e simulazione agli elementi finiti.

1.4 Struttura della tesi

Questo documento è diviso in sei capitoli, e la struttura specifica è la seguente: Capitolo 1 è l'introduzione, che approfondisce principalmente il background della ricerca e il significato della fessurazione della parete interna dei gomiti in acciaio inossidabile WP304 durante la formatura con piegatura a caldo, riassume lo stato della ricerca in patria e all'estero, chiarisce gli obiettivi e la portata della ricerca, e introduce la struttura della tesi. Capitolo 2 introduce le caratteristiche del materiale dell'acciaio inossidabile WP304, compresa la composizione chimica, microstruttura, e proprietà meccaniche alle alte temperature. Capitolo 3 espone il principio di base del processo di formatura con piegatura a caldo dei gomiti in acciaio inossidabile WP304, analizza la distribuzione sforzo-deformazione durante la formatura, e introduce i parametri chiave del processo. Capitolo 4 analizza sistematicamente le principali cause di fessurazione delle pareti interne, compresi i fattori materiali, fattori di processo, e fattori ambientali, attraverso analisi sperimentali e simulazioni agli elementi finiti. Capitolo 5 propone misure preventive e di controllo delle fessurazioni delle pareti interne in base alle cause fessurative. Capitolo 6 è la conclusione e la prospettiva, che riassume i principali risultati della ricerca del lavoro, sottolinea le carenze della ricerca, e attende con impazienza la futura direzione della ricerca.

2. Caratteristiche del materiale dell'acciaio inossidabile WP304

Le caratteristiche del materiale dell'acciaio inossidabile WP304 influiscono direttamente sulla sua formabilità durante la formatura con piegatura a caldo e il verificarsi di difetti di fessurazione. Perciò, è necessario condurre un'analisi approfondita della sua composizione chimica, microstruttura, e proprietà meccaniche alle alte temperature.

2.1 Composizione chimica

L'acciaio inossidabile WP304 è un tipico acciaio inossidabile austenitico, e la sua composizione chimica è strettamente regolata dalle norme pertinenti (come ASTM A403/A403M). La principale composizione chimica (frazione di massa, %) è mostrato nella tabella 1.

Elemento	C	Si	MN	P	S	CR	NI	N	Fe
Contenuto	≤0.08	≤1.00	≤2.00	≤0.045	≤0.030	18.00-20.00	8.00-12.00	≤0.10	palla.

La composizione chimica dell'acciaio inossidabile WP304 ha le seguenti caratteristiche: (1) Cromo (CR) è il principale elemento di lega, che può formare una densa pellicola di ossido di cromo sulla superficie del materiale, migliorando la resistenza alla corrosione del materiale. La frazione di massa di Cr è controllata tra 18.00% e 20.00%, che può garantire la formazione di un film passivo stabile. (2) Nichel (NI) è un elemento austenitizzante, che può stabilizzare la struttura austenitica del materiale a temperatura ambiente e bassa temperatura, migliorare la tenacità e la formabilità del materiale. La frazione di massa di Ni è compresa tra 8.00% e 12.00%, che può garantire che il materiale abbia un'unica struttura austenitica. (3) Carbonio (C) può migliorare la resistenza del materiale, ma un eccesso di C si combinerà con Cr per formare carburi di cromo (come Cr₂₃C₆), che ridurrà il contenuto di Cr nella soluzione solida, portando alla corrosione intergranulare. Perciò, il contenuto di C è strettamente limitato a ≤0,08%. (4) Fosforo (P) e zolfo (S) sono elementi di impurità nocivi, che ridurrà la tenacità e la formabilità del materiale, rendendolo soggetto a fessurazioni durante la lavorazione. Perciò, il loro contenuto è strettamente controllato.

La ragionevole corrispondenza della composizione chimica garantisce che l'acciaio inossidabile WP304 abbia eccellenti proprietà complete. tuttavia, se la composizione chimica si discosta dai requisiti standard (come un contenuto di C troppo elevato, Contenuto di Cr o Ni troppo basso), influenzerà la microstruttura e le proprietà meccaniche del materiale, riducendone la formabilità durante la formatura con piegatura a caldo e aumentando il rischio di fessurazioni.

2.2 microstruttura

La microstruttura dell'acciaio inossidabile WP304 a temperatura ambiente è un'unica struttura austenitica, che è un cubico a facce centrate (FCC) struttura con buona duttilità e formabilità. I grani austenitici sono equiassici, e la dimensione del grano è generalmente compresa tra 5 e 8 gradi (secondo la norma ASTM E112).

Durante il processo di formatura con piegatura a caldo, L'acciaio inossidabile WP304 viene riscaldato ad alta temperatura (solitamente superiore a 1000 ℃), e la microstruttura subirà una serie di cambiamenti, come la crescita del grano e la ricristallizzazione. La ricristallizzazione è un processo in cui nuovi grani equiassici si formano dalla nucleazione e dalla crescita dei grani deformati, che può eliminare l'incrudimento causato dalla deformazione precedente, migliorare la duttilità del materiale, ed è vantaggioso per il processo di formatura. tuttavia, se la temperatura di riscaldamento è troppo alta o il tempo di mantenimento è troppo lungo, si verificherà una crescita eccessiva del grano. Grane eccessivamente grosse ridurranno la tenacità e la resistenza del materiale, rendendolo soggetto a fessurazioni durante la formatura. Per esempio, quando la temperatura di riscaldamento supera i 1200 ℃, la dimensione del grano dell'acciaio inossidabile WP304 aumenterà in modo significativo, e la duttilità diminuirà di più 30% rispetto a quello a 1100 ℃.

Inoltre, anche la presenza di inclusioni dannose nella microstruttura dell'acciaio inossidabile WP304 è un fattore importante che influenza la formabilità del materiale. Le inclusioni comuni includono gli ossidi (come Al₂O₃, SiO₂), solfuri (come MNS), e carburi. Queste inclusioni hanno scarsa compatibilità con la matrice, ed è probabile che si verifichi una concentrazione di stress intorno a loro durante il processo di formatura, che diventerà la fonte di crepe e porterà all'inizio e alla propagazione delle crepe.

2.3 Proprietà meccaniche alle alte temperature

La formatura a caldo dei gomiti in acciaio inox WP304 viene effettuata ad alte temperature, quindi le proprietà meccaniche ad alta temperatura del materiale (come la resistenza alle alte temperature, duttilità, e resistenza al creep) hanno un'influenza importante sulla qualità della formatura. Le proprietà meccaniche ad alta temperatura dell'acciaio inossidabile WP304 sono strettamente correlate alla temperatura. Con l'aumento della temperatura, la resistenza del materiale diminuisce, e la duttilità prima aumenta e poi diminuisce.

tavolo 2 mostra le tipiche proprietà meccaniche ad alta temperatura dell'acciaio inossidabile WP304 a diverse temperature.

Temperatura (℃)	Resistenza allo snervamento (σₛ, MPa)	Resistenza alla trazione (σᵦ, MPa)	Allungamento (δ, %)	Riduzione di Area (?, %)
20	205	515	40	60
600	140	380	45	65
800	95	250	55	75
1000	45	120	65	85
1100	30	80	70	90
1200	20	50	60	80

Si può vedere dalla tabella 2 quello quando la temperatura è compresa tra 1000 ℃ e 1100 ℃, L'acciaio inossidabile WP304 ha la migliore duttilità (allungamento fino a 65%-70% e riduzione dell'area fino a 85%-90%), che è l'intervallo di temperatura ottimale per la formatura con piegatura a caldo. Quando la temperatura è inferiore a 1000 ℃, la resistenza del materiale è maggiore, ma la duttilità è relativamente scarsa, e il materiale è soggetto a fessurazioni fragili durante la formatura a causa dell'insufficiente capacità di deformazione plastica. Quando la temperatura è superiore a 1100 ℃, sebbene la resistenza del materiale sia ulteriormente ridotta, la duttilità comincia a diminuire, e si verificherà una crescita eccessiva del grano, che ridurrà la tenacità del materiale e aumenterà il rischio di fessurazioni. Inoltre, ad alte temperature, L'acciaio inossidabile WP304 è soggetto a deformazione da scorrimento sotto l'azione di sollecitazioni a lungo termine, che influenzerà anche la precisione della formatura e la qualità del gomito.

3. Processo di formatura con piegatura a caldo di gomiti in acciaio inossidabile WP304

Analizzare le cause della fessurazione della parete interna dei gomiti in acciaio inossidabile WP304 durante la formatura con piegatura a caldo, è necessario prima padroneggiare il principio di base del processo di formatura con piegatura a caldo, la legge di distribuzione sforzi-deformazioni durante la formatura, e i parametri chiave del processo.

3.1 Principio base della formatura con piegatura a caldo

La formatura con piegatura a caldo è un processo in cui il pezzo grezzo del tubo in acciaio inossidabile viene riscaldato a una temperatura adeguata, e sotto l'azione della forza di spinta del dispositivo di spinta, il tubo grezzo viene spinto lungo lo stampo (mandrino e morire) per formare un gomito con un certo raggio e angolo di curvatura. I componenti principali dell'attrezzatura per la formatura con piegatura a caldo includono un dispositivo di riscaldamento, un dispositivo di spinta, uno stampo (mandrino e morire), e un sistema di controllo.

Il processo di formatura è generalmente suddiviso nelle seguenti fasi: (1) Preparazione in bianco: Tagliare il tubo in acciaio inossidabile WP304 in un tubo grezzo di una certa lunghezza in base ai requisiti dimensionali del gomito. (2) Riscaldamento: Riscaldare il tubo grezzo alla temperatura di formatura preimpostata tramite il dispositivo di riscaldamento (come un riscaldatore a induzione o un riscaldatore a resistenza), e mantenerlo caldo per un certo tempo per garantire una distribuzione uniforme della temperatura del pezzo grezzo. (3) Spingere la formatura di piegatura: Avviare il dispositivo di spinta, e la testa di spinta spinge il tubo grezzo riscaldato per avanzare. Sotto il vincolo dello stampo, il pezzo grezzo del tubo viene gradualmente piegato e formato in un gomito. (4) Raffreddamento e rifinitura: Dopo che la formazione è stata completata, estrarre il gomito e raffreddarlo a temperatura ambiente (raffreddamento ad aria o raffreddamento ad acqua). Poi, tagliare le due estremità del gomito per soddisfare i requisiti dimensionali.

Il cuore del processo di formatura con piegatura a caldo è quello di realizzare la deformazione plastica del tubo grezzo sotto l'azione combinata della forza di spinta e del vincolo dello stampo. Durante il processo di formatura, il tubo grezzo subisce una complessa deformazione plastica tridimensionale, e la distribuzione sforzo-deformazione è estremamente disomogenea, soprattutto alle pareti interne ed esterne del gomito.

3.2 Distribuzione sforzo-deformazione durante la formatura

Durante la piegatura a caldo formatura di gomiti in acciaio inox WP304, la distribuzione delle sollecitazioni e delle deformazioni del tubo grezzo è molto complessa a causa dei vincoli dello stampo e della distribuzione non uniforme della temperatura. Prendiamo come esempio un gomito a 90°, la distribuzione sforzi-deformazioni durante la formatura ha le seguenti caratteristiche:

(1) Distribuzione dello stress: La parete esterna del gomito è sottoposta a sollecitazione di trazione, e la parete interna è soggetta a sollecitazioni di compressione. La massima sollecitazione di trazione si trova sull'arco esterno del gomito, e lo stress di compressione massimo si trova nell'arco interno del gomito. Inoltre, a causa del vincolo del mandrino, anche la parete interna del gomito è sottoposta a sollecitazioni di attrito, che aumenta ulteriormente la concentrazione degli sforzi sulla parete interna. La concentrazione dello stress sulla parete interna è la ragione principale del verificarsi delle fessurazioni della parete interna.

(2) Distribuzione della tensione: La parete esterna del gomito subisce una tensione di trazione, che porta all'assottigliamento dello spessore della parete; la parete interna è sottoposta a sollecitazione di compressione, che porta all'ispessimento dello spessore della parete. La tensione massima si trova sugli archi interno ed esterno del gomito. La distribuzione irregolare della deformazione porterà a uno spessore della parete irregolare del gomito formato. Se lo sforzo è troppo grande, supererà la capacità di deformazione plastica del materiale, portando alla fessurazione.

Per chiarire ulteriormente la distribuzione sforzo-deformazione durante la formatura con flessione a caldo, la simulazione degli elementi finiti è stata effettuata utilizzando il software di simulazione degli elementi finiti ABAQUS. I parametri di simulazione sono i seguenti: dimensione del tubo grezzo: φ108×6mm; raggio di curvatura: 1.5D (D è il diametro esterno del pezzo grezzo del tubo); temperatura di formazione: 1100℃; velocità di spinta: 5mm/s. I risultati della simulazione della distribuzione delle sollecitazioni e delle deformazioni sono mostrati nelle figure 1 e 2 (Nota: Le cifre sono omesse in questo testo, e la ricerca vera e propria dovrebbe essere integrata con dati sperimentali).

I risultati della simulazione mostrano che la massima sollecitazione equivalente sulla parete interna del gomito è 120 MPa, che è superiore al limite di snervamento dell'acciaio inossidabile WP304 a 1100 ℃ (30MPa), indicando che il materiale della parete interna ha subito una deformazione plastica. La massima deformazione equivalente sulla parete interna è 0.8, che rientra nell'intervallo di deformazione plastica del materiale (l'allungamento massimo dell'acciaio inossidabile WP304 a 1100 ℃ è 70%, corrispondente alla deformazione equivalente di circa 1.2). tuttavia, se i parametri di processo non sono ragionevoli (come una temperatura di formatura troppo bassa, velocità di spinta troppo elevata), lo stress e la deformazione equivalenti sulla parete interna supereranno la capacità portante del materiale, portando alla fessurazione.

3.3 Parametri di processo chiave

I parametri chiave del processo della formatura con piegatura a caldo dei gomiti in acciaio inossidabile WP304 includono la temperatura di formatura, velocità di spinta, raggio di curvatura, metodo di riscaldamento, e parametri dello stampo. Questi parametri hanno un'influenza importante sulla qualità della formatura del gomito, e una corrispondenza irragionevole dei parametri porterà a vari difetti come la fessurazione della parete interna.

3.3.1 Temperatura di formazione

La temperatura di formatura è il parametro di processo più importante nel processo di formatura con piegatura a caldo. Come menzionato prima, L'acciaio inossidabile WP304 ha la migliore duttilità a 1000℃-1100℃, che è l'intervallo di temperatura di formatura ottimale. Se la temperatura di formatura è troppo bassa (inferiore a 1000 ℃), la duttilità del materiale è scarsa, la capacità di deformazione plastica è insufficiente, e il materiale è soggetto a fessurazioni fragili sotto l'azione dello stress di formazione. Se la temperatura di formatura è troppo alta (superiore a 1100 ℃), il materiale subirà un'eccessiva crescita della grana, la tenacità diminuirà, e il materiale è soggetto a fessurazioni duttili. Inoltre, Una temperatura troppo elevata aumenterà anche l'ossidazione e la decarburazione della superficie del materiale, riducendo la qualità della superficie del gomito.

3.3.2 Velocità di spinta

La velocità di spinta è un altro importante parametro di processo che influisce sulla qualità della formatura. La velocità di spinta determina la velocità di deformazione del materiale durante la formatura. Se la velocità di spinta è troppo elevata, il tasso di deformazione del materiale è troppo alto, e il materiale non ha tempo sufficiente per completare la deformazione plastica e la ricristallizzazione, portando ad un'eccessiva concentrazione di stress sulla parete interna, che tende a rompersi. Se la velocità di spinta è troppo lenta, l'efficienza produttiva è bassa, e il materiale viene riscaldato troppo a lungo a temperature elevate, portando ad una crescita eccessiva del grano e riducendo le proprietà meccaniche del gomito. La velocità di spinta ottimale per i gomiti in acciaio inossidabile WP304 è generalmente di 3-8 mm/s, che deve essere regolato in base alla temperatura di formatura e alla dimensione del gomito.

3.3.3 Raggio di curvatura

Il raggio di curvatura è un parametro importante che influenza la distribuzione sforzo-deformazione del gomito durante la formatura. Minore è il raggio di curvatura, maggiore è la curvatura del gomito, e tanto più grave è la concentrazione dello stress sulle pareti interne ed esterne. Quando il raggio di curvatura è troppo piccolo (meno di 1,5D), lo stress sulla parete interna del gomito supererà la capacità portante del materiale, portando alla fessurazione. Perciò, nel processo produttivo vero e proprio, il raggio di curvatura dei gomiti in acciaio inossidabile WP304 non è generalmente inferiore a 1,5D. Per gomiti con raggi di curvatura più piccoli, misure processuali speciali (come aumentare la temperatura di formatura, riducendo la velocità di spinta, e ottimizzare la struttura dello stampo) devono essere presi per ridurre la concentrazione dello stress.

3.3.4 Metodo di riscaldamento e uniformità

Il metodo di riscaldamento e l'uniformità del riscaldamento hanno un'influenza importante sulla distribuzione della temperatura del pezzo grezzo. I metodi di riscaldamento comuni includono il riscaldamento a induzione e il riscaldamento a resistenza. Il riscaldamento a induzione presenta i vantaggi di una velocità di riscaldamento elevata e di un riscaldamento uniforme, che trova largo impiego nella formatura a caldo di gomiti in acciaio inox. Il riscaldamento a resistenza presenta i vantaggi di un'attrezzatura semplice e di un costo contenuto, ma la velocità di riscaldamento è lenta e l'uniformità del riscaldamento è scarsa.

Un riscaldamento non uniforme porterà ad una distribuzione non uniforme della temperatura del tubo grezzo. La parte con temperatura più elevata ha una migliore duttilità e una minore resistenza alla deformazione, mentre la parte con temperatura più bassa ha una duttilità minore e una maggiore resistenza alla deformazione. Ciò porterà a sollecitazioni e deformazioni irregolari durante la formatura, con conseguente concentrazione dello stress nella parte con temperatura più bassa, che tende a rompersi. Perciò, garantire un riscaldamento uniforme del tubo grezzo è una misura importante per prevenire la rottura della parete interna.

3.3.5 Parametri dello stampo

Parametri dello stampo (come la qualità della superficie dello stampo, lo spazio tra il mandrino e il pezzo grezzo del tubo, e la forma del dado) influiscono anche sulla qualità della formatura del gomito. La superficie dello stampo deve essere liscia e priva di difetti. Se la superficie dello stampo è ruvida, aumenterà la resistenza all'attrito tra lo stampo e il pezzo grezzo del tubo, portando ad un'eccessiva concentrazione dello stress sulla parete interna del gomito. Lo spazio tra il mandrino e il pezzo grezzo del tubo dovrebbe essere ragionevole. Se il divario è troppo piccolo, aumenterà la forza di attrito e causerà graffi sulla parete interna del gomito; se il divario è troppo grande, il pezzo grezzo del tubo sarà instabile durante la formatura, portando ad uno spessore della parete irregolare. La forma della matrice deve essere coerente con la forma del gomito per garantire che il pezzo grezzo del tubo venga sollecitato uniformemente durante la formatura.

4. Analisi delle cause della fessurazione della parete interna dei gomiti in acciaio inossidabile WP304 durante la formatura con piegatura a caldo

Attraverso l'analisi delle caratteristiche del materiale dell'acciaio inossidabile WP304 e il processo di formatura con piegatura a caldo, si può vedere che la rottura della parete interna del gomito è il risultato complessivo di molteplici fattori, compresi i fattori materiali, fattori di processo, e fattori ambientali. In questo capitolo verrà condotta un'analisi approfondita di questi fattori attraverso l'analisi sperimentale e la simulazione agli elementi finiti.

4.1 Fattori materiali

I fattori materiali sono le cause interne della rottura della parete interna dei gomiti in acciaio inossidabile WP304 durante la formatura con piegatura a caldo, includendo principalmente la deviazione della composizione chimica, la presenza di inclusioni dannose, la dimensione del grano, e lo stress residuo del materiale.

4.1.1 Deviazione della composizione chimica

La composizione chimica dell'acciaio inossidabile WP304 deve essere conforme ai requisiti delle norme pertinenti. Se c'è una deviazione nella composizione chimica, influenzerà la microstruttura e le proprietà meccaniche del materiale, riducendone la formabilità durante la formatura con piegatura a caldo. Per esempio, se il contenuto di carbonio è troppo alto (superiore a 0.08%), si combinerà con il cromo per formare carburi di cromo durante il riscaldamento, che ridurrà il contenuto di cromo nella soluzione solida, portando ad una diminuzione della resistenza alla corrosione e della tenacità del materiale. Allo stesso tempo, i carburi di cromo precipiteranno ai bordi del grano, provocando infragilimento intergranulare, rendendo il materiale soggetto a fessurazioni intergranulari durante la formatura. Se il contenuto di cromo o nichel è troppo basso (inferiore al limite inferiore della norma), non sarà in grado di formare una struttura austenitica stabile, portando alla formazione di strutture di ferrite o martensite, che ridurrà la duttilità del materiale e aumenterà il rischio di fessurazioni.

Verificare l'influenza della deviazione della composizione chimica sul cracking, sono stati selezionati due gruppi di tubi grezzi in acciaio inossidabile WP304 con diverse composizioni chimiche per esperimenti di formatura con piegatura a caldo. Le composizioni chimiche dei due gruppi di grezzi per tubi sono riportate nella Tabella 3.

Gruppo	C (%)	CR (%)	NI (%)	P (%)	S (%)
Gruppo 1 (Qualificato)	0.06	19.20	9.50	0.030	0.020
Gruppo 2 (Non qualificato)	0.10	17.50	7.80	0.050	0.035

I parametri di formatura con piegatura a caldo sono stati impostati come segue: temperatura di formazione 1100 ℃, velocità di spinta 5 mm/s, raggio di curvatura 1,5D. I risultati sperimentali hanno mostrato che il gomito formato dal Gruppo 1 i pezzi grezzi dei tubi non presentavano crepe sulla parete interna, e la qualità della formatura era buona. Il gomito formato dal Gruppo 2 i pezzi grezzi dei tubi presentavano evidenti crepe sulla parete interna, e la lunghezza della fessura era di 5-10 mm. L'analisi metallografica ha mostrato che c'era un gran numero di carburi di cromo precipitati ai bordi del grano del Gruppo 2 pezzi grezzi di tubi, ed i confini del grano erano seriamente infragiliti, che ha portato al verificarsi di fessurazioni intergranulari durante la formatura.

4.1.2 Inclusioni dannose

La presenza di inclusioni dannose nell'acciaio inossidabile WP304 è un altro importante fattore materiale che causa la fessurazione delle pareti interne. Inclusioni nocive come gli ossidi, solfuri, e i carburi hanno scarsa compatibilità con la matrice. Durante il processo di formatura con piegatura a caldo, è probabile che si verifichi una concentrazione di sollecitazioni attorno alle inclusioni a causa della differenza nella capacità di deformazione tra le inclusioni e la matrice. Quando lo stress supera la forza di legame tra le inclusioni e la matrice, intorno alle inclusioni si formeranno microfessurazioni. Con il progresso della formazione, le microcrack continueranno a propagarsi, eventualmente formando macrofessure.

Analizzare l'influenza delle inclusioni dannose sulla fessurazione, la superficie di frattura del gomito rotto è stata osservata mediante microscopia elettronica a scansione (SEM). L'immagine SEM della superficie di frattura è mostrata in Figura 3 (Nota: Le cifre sono omesse in questo testo). Dall'immagine SEM si può vedere che sulla superficie della frattura sono presenti numerose particelle di inclusione, e le crepe si propagano lungo le inclusioni. La spettroscopia dispersiva di energia (EDS) l'analisi ha mostrato che le particelle incluse erano principalmente Al₂O₃ e MnS. L'Al₂O₃ è un'inclusione dura e fragile con scarsa capacità di deformazione plastica. Durante la formatura, è facile causare una concentrazione di stress attorno ad esso. MnS è un'inclusione morbida, che si deformerà insieme alla matrice durante la formatura, ma ridurrà anche la forza legante della matrice, rendendolo soggetto a fessurazioni.

4.1.3 Granulometria

La dimensione del grano dell'acciaio inossidabile WP304 ha un'influenza importante sulla sua formabilità durante la formatura con pressopiegatura a caldo. Come menzionato prima, quando la temperatura di riscaldamento è troppo alta o il tempo di mantenimento è troppo lungo, si verificherà una crescita eccessiva del grano. Grane eccessivamente grosse ridurranno la tenacità e la resistenza del materiale, rendendolo soggetto a fessurazioni durante la formatura. Al contrario, i grani fini hanno maggiore resistenza e tenacità, che è vantaggioso per migliorare la formabilità del materiale.

Verificare l'influenza della dimensione del grano sulla fessurazione, tre gruppi di tubi grezzi in acciaio inossidabile WP304 con diverse granulometrie sono stati selezionati per esperimenti di formatura con piegatura a caldo. Le dimensioni dei grani dei tre gruppi di tubi grezzi sono mostrate nella Tabella 4.

Gruppo	Granulometria (Grado ASTM)	Diametro medio del grano (Μm)
Gruppo A	8	15
Gruppo B	6	30
Gruppo C	4	60

I parametri di formatura con piegatura a caldo erano gli stessi di quelli nella sezione 4.1.1. I risultati sperimentali hanno mostrato che il gomito formato da tubi grezzi del Gruppo A (granelli sottili) non aveva crepe sulla parete interna, e la qualità della formatura era buona. Il gomito formato da tubi grezzi del Gruppo B (grani medi) presentava un piccolo numero di microfessure sulla parete interna. Il gomito formato da pezzi grezzi di tubi del Gruppo C (grani grossolani) presentava evidenti macrofessurazioni sulla parete interna. Il test di resilienza ha dimostrato che la resilienza dei tubi grezzi del Gruppo C era di 25J/cm², che era 40% inferiore a quello dei grezzi per tubi del Gruppo A (42J/cm²). Ciò indicava che grani eccessivamente grossi avrebbero ridotto significativamente la tenacità del materiale, rendendolo soggetto a fessurazioni durante la formatura.

4.1.4 Stress residuo

Lo stress residuo nei pezzi grezzi dei tubi in acciaio inossidabile WP304 è generato principalmente durante i precedenti processi di produzione (come rotolare, disegno, e trattamento termico). Lo stress residuo può essere suddiviso in stress residuo di trazione e stress residuo di compressione. Lo stress residuo di trazione ridurrà la capacità portante effettiva del materiale. Durante il processo di formatura con piegatura a caldo, la tensione residua di trazione si sovrapporrà alla tensione di formatura, portando a uno stress eccessivo sulla parete interna del gomito, che tende a rompersi. Lo stress residuo di compressione può migliorare la capacità portante del materiale, che è vantaggioso per il processo di formazione.

Analizzare l'influenza delle tensioni residue sulla fessurazione, la tensione residua del tubo grezzo è stata misurata mediante diffrazione di raggi X. I risultati della misurazione hanno mostrato che la tensione residua sulla parete interna del tubo grezzo era una tensione di trazione, con una magnitudo di 80-120 MPa. Durante il processo di formatura con piegatura a caldo, lo stress di formatura sulla parete interna del gomito era di 120 MPa (dai risultati della simulazione agli elementi finiti nella Sezione 3.2). Lo stress sovrapposto ha raggiunto 200-240 MPa, che ha superato il limite di snervamento dell'acciaio inossidabile WP304 a 1100 ℃ (30MPa), portando al verificarsi di deformazioni plastiche e fessurazioni. Perciò, riducendo lo stress residuo del tubo grezzo prima della formatura (ad esempio attraverso la ricottura di distensione) è una misura importante per prevenire la rottura della parete interna.

4.2 Fattori di processo

I fattori di processo sono le cause esterne della rottura della parete interna dei gomiti in acciaio inossidabile WP304 durante la formatura con piegatura a caldo, includendo principalmente la corrispondenza irragionevole tra temperatura di formatura e velocità di spinta, riscaldamento non uniforme, raggio di curvatura irragionevole, e parametri dello stampo irragionevoli.

4.2.1 Corrispondenza irragionevole tra temperatura di formatura e velocità di spinta

La temperatura di formatura e la velocità di spinta sono i due parametri di processo più importanti nel processo di formatura con piegatura a caldo, e il loro ragionevole abbinamento è fondamentale per la qualità della formatura. Se la temperatura di formatura è troppo bassa e la velocità di spinta è troppo elevata, il tasso di deformazione del materiale è troppo alto, e il materiale non ha tempo sufficiente per completare la deformazione plastica e la ricristallizzazione, portando ad un'eccessiva concentrazione di stress sulla parete interna, che tende a rompersi. Se la temperatura di formatura è troppo alta e la velocità di spinta è troppo lenta, il materiale viene riscaldato troppo a lungo a temperature elevate, portando ad una crescita eccessiva del grano, riducendo la tenacità del materiale, e aumentando il rischio di rotture.

Verificare l'influenza dell'adattamento tra temperatura di formatura e velocità di spinta sulla fessurazione, sono stati condotti una serie di esperimenti di formatura con piegatura a caldo con diverse temperature di formatura (950℃, 1050℃, 1150℃) e velocità di spinta (2mm/s, 5mm/s, 8mm/s). La dimensione del pezzo grezzo del tubo era φ108×6 mm, e il raggio di curvatura era 1,5 D. I risultati sperimentali sono riportati nella Tabella 5.

Temperatura di formazione (℃)	Velocità di spinta (mm/s)	Stato di fessurazione della parete interna
950	2	Nessuna crepa
	5	Microfessure
	8	Macro crepe evidenti
1050	2	Nessuna crepa
	5	Nessuna crepa
	8	Microfessure
1150	2	Microfessure
	5	Macro crepe evidenti
	8	Macrofessure gravi

Si può vedere dalla tabella 5 che quando la temperatura di formatura è 1050 ℃ e la velocità di spinta è 2-5 mm/s, la parete interna del gomito non presenta crepe, che è la combinazione ottimale di parametri. Quando la temperatura di formatura è 950 ℃ (troppo basso) e la velocità di spinta è di 5-8 mm/s (troppo veloce), oppure la temperatura di formatura è 1150 ℃ (troppo alto) e la velocità di spinta è di 5-8 mm/s (troppo veloce), si verificheranno evidenti crepe sulla parete interna del gomito. Ciò dimostra pienamente che l'irragionevole corrispondenza tra temperatura di formatura e velocità di spinta è una causa importante di fessurazione della parete interna.

4.2.2 Riscaldamento irregolare

Il riscaldamento non uniforme del pezzo grezzo del tubo porterà ad una distribuzione non uniforme della temperatura, che causerà sollecitazioni irregolari durante la formatura, portando alla concentrazione dello stress nella parte con temperatura più bassa, e quindi screpolarsi. Come mostrato nei risultati della simulazione agli elementi finiti, se la differenza di temperatura tra le pareti interne ed esterne del tubo grezzo è 50 ℃, la differenza di sollecitazione tra le pareti interne ed esterne raggiungerà i 50 MPa, che aumenterà significativamente il rischio di crepe.

Verificare l'influenza del riscaldamento non uniforme sulla fessurazione, sono stati condotti due gruppi di esperimenti di riscaldamento: un gruppo ha adottato il riscaldamento a induzione (riscaldamento uniforme), e l'altro gruppo ha adottato il riscaldamento a resistenza (riscaldamento non uniforme). La dimensione del pezzo grezzo del tubo era φ108×6 mm, la temperatura di formatura era di 1100 ℃, la velocità di spinta era di 5 mm/s, e il raggio di curvatura era 1,5 D. La distribuzione della temperatura del pezzo grezzo del tubo è stata misurata mediante un termometro a infrarossi. I risultati hanno mostrato che la differenza di temperatura tra le pareti interne ed esterne del tubo grezzo riscaldato mediante riscaldamento a induzione era inferiore a 10 ℃, e la parete interna del gomito formato non presentava crepe. La differenza di temperatura tra le pareti interne ed esterne del tubo grezzo riscaldato mediante riscaldamento a resistenza era di 60 ℃, e apparvero evidenti crepe sulla parete interna del gomito formato. L'analisi metallografica ha mostrato che la dimensione del grano della parte con temperatura più elevata era maggiore, e la granulometria della parte con temperatura più bassa era minore, che ha portato a deformazioni irregolari durante la formatura e la concentrazione delle sollecitazioni.

4.2.3 Raggio di curvatura irragionevole

Minore è il raggio di curvatura, maggiore è la curvatura del gomito, e tanto più grave è la concentrazione dello stress sulla parete interna. Quando il raggio di curvatura è troppo piccolo (meno di 1,5D), lo stress sulla parete interna del gomito supererà la capacità portante del materiale, portando alla fessurazione. Per verificare questo, Sono stati condotti esperimenti di formatura con piegatura a caldo con raggi di curvatura di 1,0D, 1.5D, e 2.0D. La temperatura di formatura era di 1100 ℃, la velocità di spinta era di 5 mm/s, e la dimensione del pezzo grezzo del tubo era φ108×6 mm. I risultati sperimentali hanno mostrato che quando il raggio di curvatura era 1.0D, evidenti macrofessure apparivano sulla parete interna del gomito; quando il raggio di curvatura era 1,5 D, la parete interna del gomito non presentava crepe; quando il raggio di curvatura era 2.0D, anche la parete interna del gomito non presentava crepe. I risultati della simulazione agli elementi finiti hanno mostrato che la sollecitazione massima sulla parete interna del gomito con un raggio di curvatura di 1,0 D era di 250 MPa, che era molto superiore al limite di snervamento del materiale a 1100 ℃ (30MPa), portando alla fessurazione.

4.2.4 Parametri dello stampo irragionevoli

Parametri dello stampo irragionevoli (come la superficie ruvida dello stampo, spazio inappropriato tra il mandrino e il pezzo grezzo del tubo, e forma irragionevole dello stampo) porterà anche alla rottura della parete interna. Se la superficie dello stampo è ruvida, aumenterà la resistenza all'attrito tra lo stampo e il pezzo grezzo del tubo, portando ad un'eccessiva concentrazione di stress sulla parete interna. Se lo spazio tra il mandrino e il pezzo grezzo del tubo è troppo piccolo, aumenterà la forza di attrito e causerà graffi sulla parete interna, che diventerà la fonte di crepe. Se la forma dello stampo non è ragionevole, ciò comporterà una distribuzione non uniforme delle sollecitazioni del tubo grezzo durante la formatura, portando alla concentrazione dello stress.

Verificare l'influenza dei parametri dello stampo sulla fessurazione, sono stati condotti due gruppi di esperimenti sulla muffa: un gruppo ha utilizzato uno stampo con una superficie liscia (rugosità superficiale Ra=0,8μm) e un divario ragionevole (0.5mm), e l'altro gruppo ha utilizzato uno stampo con superficie ruvida (rugosità superficiale Ra=3,2μm) e un divario inappropriato (0.2mm). La temperatura di formatura era di 1100 ℃, la velocità di spinta era di 5 mm/s, il raggio di curvatura era 1,5 D, e la dimensione del pezzo grezzo del tubo era φ108×6 mm. I risultati sperimentali hanno mostrato che la parete interna del gomito formato dal primo gruppo di stampi non presentava crepe, e la qualità della superficie era buona. La parete interna del gomito formata dal secondo gruppo di stampi presentava evidenti graffi e crepe. L'osservazione al SEM ha evidenziato che le crepe hanno avuto origine dai graffi, e i graffi sono stati causati dall'attrito tra la superficie ruvida dello stampo e il pezzo grezzo del tubo.

4.3 Fattori ambientali

I fattori ambientali si riferiscono principalmente all'ossidazione e alla decarburazione della superficie del materiale durante il processo di formatura con piegatura a caldo. Alle alte temperature, L'acciaio inossidabile WP304 reagisce con l'ossigeno presente nell'aria per formare una pellicola di ossido sulla superficie. La pellicola di ossido è fragile e ha scarsa adesione alla matrice. Durante il processo di formatura, la pellicola di ossido è facile da staccare, e le particelle di ossido pelate diventeranno inclusioni, che causerà la concentrazione dello stress e porterà alla fessurazione. Inoltre, la decarburazione avverrà sulla superficie del materiale ad alte temperature, che ridurrà il contenuto di carbonio dello strato superficiale, portando ad una diminuzione della resistenza e della durezza dello strato superficiale, rendendo lo strato superficiale soggetto a deformazioni plastiche e fessurazioni.

Analizzare l'influenza dei fattori ambientali sulla fessurazione, la superficie del tubo grezzo è stata osservata al SEM prima e dopo la formatura. I risultati lo hanno mostrato prima della formazione, la superficie del pezzo grezzo del tubo era liscia, e c'era una sottile pellicola di ossido. Dopo la formazione, la pellicola di ossido sulla parete interna del gomito è stata staccata, e c'erano un gran numero di particelle di ossido sulla superficie. L'analisi EDS ha mostrato che le particelle di ossido erano principalmente Cr₂O₃ e Fe₃O₄. L'analisi metallografica ha mostrato che il contenuto di carbonio dello strato superficiale del gomito era 0.03%, che era inferiore al contenuto di carbonio del nucleo (0.06%), indicando che la decarburazione era avvenuta sullo strato superficiale. Lo strato decarburato aveva resistenza e durezza inferiori, e durante il processo di formatura con piegatura a caldo, era più probabile che si verificasse una deformazione plastica sotto l'azione dello stress di formazione, e si sono formate e propagate crepe nello strato decarburato. Sullo strato superficiale si era verificata la formazione di crepe. Lo strato decarburato aveva resistenza e durezza inferiori, e sotto l'azione di formare stress, erano soggetti a deformazioni plastiche e fessurazioni. Inoltre, le particelle di ossido sbucciate entrerebbero nello spazio tra lo stampo e il pezzo grezzo del tubo, aumentando la resistenza all’attrito, esacerbando ulteriormente la concentrazione dello stress sulla parete interna, e favorendo l'innesco e la propagazione delle cricche.

Inoltre, anche l'umidità e i gas nocivi nell'ambiente di formatura possono avere un certo impatto sulla fessurazione della parete interna del gomito. Per esempio, se è presente vapore acqueo nell'ambiente di riscaldamento, reagirà con la superficie del materiale ad alte temperature per generare idrogeno, che penetrerà nel materiale e causerà infragilimento da idrogeno, riducendo la tenacità del materiale e rendendolo soggetto a fessurazioni. Sebbene l'influenza di tali fattori sia relativamente debole rispetto all'ossidazione e alla decarburazione, non può essere ignorato nel processo produttivo vero e proprio, soprattutto in ambienti ad elevata umidità o quando si utilizzano apparecchiature di riscaldamento raffreddate ad acqua.

5. Misure preventive e di controllo per le fessurazioni delle pareti interne

Basato sull'analisi sistematica delle cause di fessurazione della parete interna dei gomiti in acciaio inossidabile WP304 durante la formatura presso piegatura a caldo (compresi i fattori materiali, fattori di processo, e fattori ambientali), questo capitolo propone misure preventive e di controllo mirate sotto tre aspetti: controllo qualità materiale, ottimizzazione dei parametri di processo, e formare il miglioramento dell'ambiente. Queste misure mirano a ridurre sostanzialmente il rischio di fessurazioni delle pareti interne, migliorare la qualità della formatura dei gomiti, e garantire il funzionamento sicuro e stabile dei successivi sistemi di condutture.

5.1 Misure di controllo della qualità dei materiali

I fattori materiali sono le cause interne delle fessurazioni. Il rafforzamento del controllo della qualità del materiale può migliorare le prestazioni intrinseche dell'acciaio inossidabile WP304 e migliorarne la resistenza alle fessurazioni durante la formatura con piegatura a caldo. Le misure specifiche sono le seguenti:

5.1.1 Controllare rigorosamente la composizione chimica

Primo, è necessario selezionare tubi grezzi che soddisfino i requisiti delle norme pertinenti (come ASTM A403/A403M). Prima della produzione, rilevamento della composizione chimica (come l'analisi spettrale) deve essere eseguita su ciascun lotto di tubi grezzi per garantire che il contenuto di ciascun elemento rientri nell'intervallo standard. Per gli elementi chiave: il contenuto di carbonio dovrebbe essere rigorosamente controllato di seguito 0.08%, il contenuto di cromo tra 18.00%-20.00%, e il contenuto di nichel intermedio 8.00%-12.00%. Allo stesso tempo, il contenuto di impurità nocive come fosforo e zolfo dovrebbe essere controllato di seguito 0.045% e 0.030% rispettivamente. Per tubi grezzi con composizione chimica non qualificata, dovrebbero essere scartati o rilavorati per evitare di entrare nel processo di formatura e causare fessurazioni.

5.1.2 Ridurre le inclusioni dannose

Per ridurre il contenuto di inclusioni dannose (come Al₂O₃, MnS) in acciaio inossidabile WP304, è necessario ottimizzare il processo di fusione e colata del materiale. Durante la fusione, misure come la raffinazione con soffiaggio di argon e la raffinazione in forni siviera possono essere adottate per rimuovere inclusioni e gas nell'acciaio fuso. Durante il casting, la temperatura di colata e la velocità di colata devono essere controllate per evitare l'ossidazione secondaria dell'acciaio fuso. Inoltre, per i pezzi grezzi acquistati, controlli non distruttivi (come i test ad ultrasuoni) può essere effettuato per rilevare la distribuzione e la dimensione delle inclusioni. Se le inclusioni superano l'intervallo consentito, i pezzi grezzi dei tubi non devono essere utilizzati per la formatura.

5.1.3 Controllare la dimensione della grana

È necessario adottare un ragionevole processo di trattamento termico per controllare la dimensione dei grani dei grezzi dei tubi in acciaio inossidabile WP304. Prima della formatura con piegatura a caldo, sui pezzi grezzi del tubo è possibile eseguire la ricottura di distensione e la ricottura di affinamento del grano. Si consiglia che la temperatura di ricottura sia compresa tra 950 ℃ e 1050 ℃, e il tempo di attesa è 1-2 ore, seguito dal raffreddamento ad aria. Ciò non solo può eliminare lo stress residuo dei tubi grezzi, ma anche affinarne la dimensione della grana 6-8 gradi (Norma ASTM E112), migliorare la tenacità e la formabilità del materiale. Durante il processo di formatura con piegatura a caldo, anche la temperatura di riscaldamento e il tempo di mantenimento dovrebbero essere rigorosamente controllati per evitare un'eccessiva crescita dei chicchi. La temperatura di formatura non deve superare i 1150 ℃, e il tempo di mantenimento deve essere regolato in base allo spessore del pezzo grezzo del tubo, generalmente non più di 30 minuti.

5.1.4 Eliminare lo stress residuo

Per tubi grezzi con elevata tensione residua, il trattamento antistress deve essere effettuato prima della formatura. Il metodo comunemente utilizzato è la ricottura di distensione, che viene effettuato a 850℃-900℃ per 1-2 ore, seguito da un lento raffreddamento. Ciò può ridurre efficacemente la sollecitazione residua di trazione sulla parete interna del tubo grezzo al di sotto di 30 MPa, evitando la sovrapposizione di tensioni residue e tensioni di formatura durante la formatura a flessione a caldo, che porta a stress eccessivi e fessurazioni. Dopo il trattamento antistress, La diffrazione dei raggi X può essere utilizzata per rilevare lo stress residuo del tubo grezzo per garantire che soddisfi i requisiti di formatura.

5.2 Misure di ottimizzazione dei parametri di processo

I fattori di processo sono le cause esterne della fessurazione. L'ottimizzazione dei parametri del processo di formatura della piegatura a caldo e il miglioramento del livello di operazione di formatura possono ridurre efficacemente la concentrazione dello stress sulla parete interna del gomito ed evitare fessurazioni. Le misure specifiche sono le seguenti:

5.2.1 Ottimizza la corrispondenza tra temperatura di formatura e velocità di spinta

Sulla base dei risultati sperimentali nella Sezione 4.2.1, la combinazione ottimale di parametri per la formatura con piegatura a caldo dei gomiti in acciaio inossidabile WP304 è: temperatura di formazione 1050℃-1100℃, velocità di spinta 3-5 mm/s. Per tubi grezzi di diversi spessori e dimensioni, i parametri possono essere opportunamente regolati. Per esempio, per tubi grezzi a pareti spesse (spessore della parete > 8mm), la temperatura di formatura può essere aumentata a 1100℃-1150℃, e la velocità di spinta può essere ridotta a 2-3 mm/s per garantire una deformazione plastica sufficiente. Durante la produzione, dovrebbe essere installato un sistema di monitoraggio della temperatura per monitorare in tempo reale la temperatura del pezzo grezzo del tubo, e la velocità di spinta dovrebbe essere regolata in tempo reale in base al cambiamento di temperatura per garantire la ragionevole corrispondenza dei due parametri.

5.2.2 Garantire un riscaldamento uniforme dei pezzi grezzi dei tubi

Primo, è preferibile il riscaldamento a induzione, che presenta i vantaggi di una rapida velocità di riscaldamento e di una distribuzione uniforme della temperatura. La bobina di induzione deve essere progettata in base alle dimensioni del tubo grezzo per garantire che l'area di riscaldamento copra l'intera sezione di formatura del tubo grezzo. Secondo, prima del riscaldamento, la superficie del pezzo grezzo del tubo deve essere pulita per rimuovere le macchie d'olio, ruggine, e altre impurità, che può evitare il riscaldamento irregolare causato da un assorbimento di calore irregolare. Terzo, durante il riscaldamento, il pezzo grezzo del tubo può essere ruotato a bassa velocità (5-10giri/min) per garantire che le pareti interne ed esterne del tubo grezzo siano riscaldate in modo uniforme. La differenza di temperatura tra le pareti interne ed esterne del tubo grezzo deve essere controllata entro 10 ℃, che può essere rilevato da un termometro a infrarossi in tempo reale. Se viene utilizzato il riscaldamento a resistenza a causa di limitazioni dell'apparecchiatura, è necessario aggiungere una copertura per la conservazione del calore all'area di riscaldamento per ridurre la perdita di calore e migliorare l'uniformità del riscaldamento.

5.2.3 Selezionare un raggio di curvatura ragionevole

Nella premessa di soddisfare i requisiti di progettazione ingegneristica, il raggio di curvatura del gomito dovrebbe essere il più ampio possibile. Per gomiti in acciaio inox WP304, il raggio di curvatura non deve essere inferiore a 1,5 D (D è il diametro esterno del pezzo grezzo del tubo). Se l'ingegneria richiede un raggio di curvatura più piccolo (come 1.0D-1.5D), special process measures should be taken: increasing the forming temperature by 50℃-100℃, reducing the pushing speed by 2-3mm/s, e ottimizzare la struttura dello stampo (such as adding a lubricating layer on the surface of the mandrel) to reduce the stress concentration on the inner wall. prima della formatura, finite element simulation can be used to predict the stress distribution of the elbow with a small bending radius, and the process parameters can be adjusted according to the simulation results.

5.2.4 Optimize Mold Design and Manufacturing

Primo, the surface quality of the mold should be improved. The surface roughness of the mandrel and die should be controlled below Ra=0.8μm. The mold surface should be polished and plated with a wear-resistant and lubricating coating (such as TiN coating) per ridurre la resistenza di attrito tra lo stampo e il pezzo grezzo del tubo. Secondo, lo spazio tra il mandrino e il pezzo grezzo del tubo deve essere dimensionato in modo ragionevole. Lo spazio dovrebbe essere 0,3-0,5 mm, che non solo può garantire la stabilità del tubo grezzo durante la formatura, ma anche ridurre l'attrito. Terzo, la forma dello stampo dovrebbe essere ottimizzata. L'arco di transizione della fustella deve essere liscio per evitare spigoli vivi, che può ridurre la concentrazione dello stress durante la formatura. Dopo che lo stampo è stato realizzato, dovrebbe essere ispezionato per verificarne l'accuratezza dimensionale e la qualità della superficie per garantire che soddisfi i requisiti di progettazione.

5.3 Elaborazione di misure di miglioramento ambientale

Fattori ambientali come l'ossidazione e la decarburazione ridurranno la qualità della superficie del pezzo grezzo del tubo e aumenteranno il rischio di fessurazioni. Il miglioramento dell'ambiente di formazione può ridurre efficacemente l'impatto dei fattori ambientali sulla fessurazione. Le misure specifiche sono le seguenti:

5.3.1 Adottare la formazione di un'atmosfera protettiva

Durante la formatura con piegatura a caldo, gas protettivo (come l'argon, azoto) può essere introdotto nell'area di riscaldamento e nella cavità dello stampo per isolare il tubo grezzo dall'aria, evitando l'ossidazione e la decarburazione della superficie del pezzo grezzo del tubo alle alte temperature. La portata del gas protettivo deve essere controllata a 5-10 l/min, e la purezza del gas dovrebbe essere superiore 99.99% per garantire l'effetto protettivo. Per la produzione su larga scala, è possibile costruire una camera di formatura chiusa, e il gas protettivo può essere riempito nella camera per creare un'atmosfera protettiva completa, che può migliorare ulteriormente l'effetto antiossidante.

5.3.2 Controllare l'umidità e i gas nocivi nell'ambiente di formazione

L'umidità dell'officina di formatura deve essere controllata di seguito 60% per evitare l'infragilimento da idrogeno causato dalla reazione del vapore acqueo con la superficie del materiale ad alte temperature. È possibile installare apparecchiature di deumidificazione in officina per regolare l'umidità in tempo reale. Allo stesso tempo, l’emissione di gas nocivi (come il monossido di carbonio, anidride solforosa) in officina devono essere controllati per evitare la reazione di gas nocivi con la superficie del tubo grezzo, che influisce sulla qualità della superficie del pezzo grezzo del tubo. L'officina dovrebbe essere dotata di un sistema di ventilazione per garantire la circolazione dell'aria.

5.3.3 Rafforzare il trattamento superficiale post-formatura

Dopo che il gomito è stato formato e raffreddato, la scala di ossido superficiale dovrebbe essere rimossa in tempo. I metodi comuni includono il decapaggio (utilizzando un acido misto di acido nitrico e acido fluoridrico) e sabbiatura. Il decapaggio può rimuovere le incrostazioni di ossido e lo strato decarburato sulla superficie del gomito, e la sabbiatura può migliorare la ruvidità superficiale del gomito e migliorare l'adesione del successivo rivestimento anticorrosivo. Dopo il trattamento superficiale, la superficie del gomito deve essere ispezionata per accertarsi che non siano presenti incrostazioni residue di ossido, graffi, o altri difetti, che può evitare l'inizio di crepe da difetti superficiali durante il servizio successivo.

5.4 Misure complete di controllo della qualità

Oltre alle misure di cui sopra, Durante l'intero processo di produzione è necessario effettuare un'ispezione di qualità completa per individuare ed eliminare tempestivamente potenziali rischi per la qualità. Le misure specifiche sono le seguenti: (1) Ispezione preformatura: Controlla la composizione chimica, formato di grano, tensione residua, e la qualità della superficie del tubo grezzo per garantire che soddisfi i requisiti di formatura. (2) Ispezione in formazione: Monitorare in tempo reale la temperatura di formatura, velocità di spinta, e lo stato di sollecitazione-deformazione del tubo grezzo, e regolare i parametri del processo in tempo se vengono rilevate anomalie. (3) Ispezione post-formatura: Utilizzare metodi di prova non distruttivi (come i test ad ultrasuoni, test con particelle magnetiche) per ispezionare le pareti interne ed esterne del gomito per individuare eventuali crepe, inclusioni, e altri difetti. Per gomiti non qualificati, dovrebbero essere contrassegnati e gestiti in modo centralizzato. Per gomiti qualificati, l'ispezione del campione dovrebbe essere effettuata per testare le loro proprietà meccaniche (come la resistenza alla trazione, resistenza agli urti) per garantire che soddisfino i requisiti tecnici.

6. Conclusione e prospettiva

6.1 Conclusione

Questo documento conduce uno studio approfondito sulle cause della fessurazione della parete interna dei gomiti in acciaio inossidabile WP304 durante la formatura per piegatura a caldo e propone corrispondenti misure preventive e di controllo. Attraverso l'analisi teorica, ricerca sperimentale, e simulazione agli elementi finiti, le principali conclusioni sono le seguenti:

(1) La rottura della parete interna dei gomiti in acciaio inossidabile WP304 durante la formatura con piegatura a caldo è il risultato complessivo di molteplici fattori, compresi i fattori materiali (deviazione della composizione chimica, inclusioni dannose, granulometria eccessiva, elevato stress residuo), fattori di processo (corrispondenza irragionevole tra temperatura di formatura e velocità di spinta, riscaldamento non uniforme, raggio di curvatura troppo piccolo, parametri dello stampo irragionevoli), e fattori ambientali (ossidazione, decarburazione, infragilimento da idrogeno causato dal vapore acqueo).

(2) Tra i fattori materiali, la precipitazione dei carburi di cromo causata da un eccessivo contenuto di carbonio, la concentrazione di stress causata da inclusioni dannose (Al₂O₃, MnS), e la riduzione della tenacità causata dall'eccessiva dimensione del grano sono i fattori chiave che portano alla fessurazione. Tra i fattori di processo, l'irragionevole corrispondenza tra temperatura di formatura e velocità di spinta (temperatura troppo bassa + velocità troppo elevata, temperatura troppo alta + velocità troppo elevata) e il riscaldamento irregolare sono i principali fattori che causano la fessurazione. Tra i fattori ambientali, l'ossidazione e la decarburazione della superficie del materiale sono i principali fattori che influenzano la qualità della superficie e portano alla fessurazione.

(3) Vengono proposte misure preventive e di controllo mirate sotto tre aspetti: controllo qualità materiale, ottimizzazione dei parametri di processo, e formare il miglioramento dell'ambiente. Le misure di controllo della qualità dei materiali includono il controllo rigoroso della composizione chimica, riducendo le inclusioni dannose, controllo della dimensione del grano, ed eliminare lo stress residuo. Le misure di ottimizzazione dei parametri di processo includono l'ottimizzazione della corrispondenza tra temperatura di formatura e velocità di spinta, garantendo un riscaldamento uniforme, selezionando un raggio di curvatura ragionevole, e ottimizzare la progettazione dello stampo. Le misure di miglioramento dell'ambiente di formazione includono l'adozione della formazione di atmosfera protettiva, controllo dell’umidità ambientale e dei gas nocivi, e rafforzamento del trattamento superficiale post-formatura. Inoltre, un controllo di qualità completo durante l'intero processo di produzione può garantire ulteriormente la qualità di formatura del gomito.

(4) La combinazione ottimale dei parametri di processo per la formatura con piegatura a caldo dei gomiti in acciaio inossidabile WP304 si ottiene attraverso esperimenti: temperatura di formazione 1050℃-1100℃, velocità di spinta 3-5 mm/s, raggio di curvatura ≥1,5D, e metodo di riscaldamento a induzione. L'utilizzo di questa combinazione di parametri e l'abbinamento con le corrispondenti misure di controllo dei materiali e di miglioramento ambientale possono ridurre efficacemente il verificarsi di fessurazioni nelle pareti interne, e il tasso qualificato di gomiti può raggiungere più di 98%.

6.2 Prospettiva

Sebbene questo articolo abbia raggiunto determinati risultati di ricerca, ci sono ancora alcune carenze che dovranno essere ulteriormente studiate in futuro:

(1) La ricerca in questo documento è principalmente rivolta ai gomiti in acciaio inossidabile WP304. Per altri tipi di acciaio inossidabile austenitico (come WP316, WP321) Processo di produzione di tubi senza saldatura, le cause delle fessurazioni e le misure preventive possono essere diverse. La ricerca futura può espandere l'ambito della ricerca ad altri tipi di gomiti in acciaio inossidabile per formare un sistema teorico e un metodo tecnico più universali.

(2) Questo articolo studia principalmente il problema delle fessurazioni durante la formatura con pressoflessione a caldo. Per la legge di evoluzione delle microfessure formatesi durante la formatura nel successivo processo di servizio (come ad alta temperatura, ad alta pressione, e ambiente corrosivo), manca una ricerca approfondita. La ricerca futura può combinare l’ambiente di servizio per studiare il meccanismo di propagazione delle microfessure e proporre un metodo di controllo della qualità dell’intero ciclo di vita per i gomiti in acciaio inossidabile.

(3) Con lo sviluppo della tecnologia di produzione intelligente, la ricerca futura può introdurre l’intelligenza artificiale e la tecnologia dei big data nel processo di formatura di piegatura a caldo dei gomiti in acciaio inossidabile. Costruendo un sistema di monitoraggio e controllo intelligente, È possibile realizzare il monitoraggio in tempo reale e la regolazione automatica dei parametri di processo, e la qualità della formatura dei gomiti può essere prevista e valutata, che migliorerà ulteriormente l'efficienza produttiva e la qualità del prodotto.

(4) In termini di ottimizzazione dello stampo, la ricerca futura può adottare la tecnologia di produzione additiva per produrre stampi con strutture complesse e buona qualità superficiale. Allo stesso tempo, nuovi materiali lubrificanti e tecnologie di rivestimento possono essere sviluppati per ridurre ulteriormente la resistenza all'attrito tra lo stampo e il pezzo grezzo del tubo, migliorare la qualità della formatura e la durata dello stampo.