摘 要:在電站鍋爐實(shí)際檢測中,通常會將現(xiàn)場檢測的里氏硬度轉(zhuǎn)換成布氏硬度,但現(xiàn)有的換算 關(guān)系缺乏材料針對性,且硬度范圍也較窄。對P22鋼進(jìn)行了頂端淬火和整體熱處理試驗,獲得硬 度范圍更寬、分布更均勻的里氏硬度與布氏硬度,然后建立里氏硬度與布氏硬度之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。 結(jié)果表明:P22鋼的里氏硬度與布氏硬度之間呈二次回歸關(guān)系,其轉(zhuǎn)換關(guān)系為 HBW =0.0016H2 LD -0.66HLD+155.7。
關(guān)鍵詞:P22鋼;熱處理;里氏硬度;布氏硬度;轉(zhuǎn)換關(guān)系
中圖分類號:TG115 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:1001-4012(2021)10-0018-05
P22鋼為2.25Cr-1Mo低合金鋼,具有較高的熱 強(qiáng)性能,良好的抗氧化性、抗氫蝕能力和焊接性能, 廣泛應(yīng)用于石油化工、核電及電站鍋爐等高溫設(shè)備 中[1-2]。在電站鍋爐實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中,過高的蒸汽溫 度和蒸汽壓力對耐熱鋼提出了更高的要求。因此, 對P22鋼進(jìn)行安全性能評定具有重要意義。目前, 國內(nèi)外對P22鋼的研究多集中在焊接性能、壽命評 估及熱處理工藝對其性能的影響方面[3-5]。硬度檢 測是電站鍋爐安全檢驗中的一種常用評定手段。耐 熱鋼的組織形態(tài)、殘余應(yīng)力以及加工工藝等都與硬 度密切相關(guān)。提高硬度檢測的準(zhǔn)確性和可靠性對電 站鍋爐的安全評定有重要作用。
DL/T438—2009《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī) 程》和 DL/T869—2012《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī) 程》中規(guī)定電站鍋爐用鋼硬度以布氏硬度值為標(biāo)準(zhǔn), 但在實(shí)際工況中,布氏硬度測試有一定的局限性,而 里氏硬度計具有體積小、使用方法簡單、便于攜帶、 檢測效率高等優(yōu)點(diǎn),同時適用于測試大型、難以拆卸 以及特殊部位的工件,在電站工程現(xiàn)場已被廣泛使 用[6-8]。然而將里氏硬度作為電站現(xiàn)場硬度檢測的 評判標(biāo)準(zhǔn)還不成熟,并且現(xiàn)有的 GB/T17394.4—2014《金屬材料 里氏硬度試驗 第4部分:硬度值換 算表》中換算關(guān)系并未對不同材料作詳細(xì)區(qū)分,P22 鋼作為電站中常用的一種耐熱鋼,材料本身所固有 的特性以及受環(huán)境影響改變會影響兩種硬度值之間 的關(guān)系。因此,在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)進(jìn)行硬度對比分析 后再將里氏硬度轉(zhuǎn)換為布氏硬度,以確保測試結(jié)果 的準(zhǔn)確性[9-10]。
依據(jù)GB/T17394.1—2014《金屬材料 里氏硬度 試驗 第一部分:試驗方法》,對于特定材料,將里氏硬 度較準(zhǔn)確地?fù)Q算為其他硬度,必須進(jìn)行硬度對比試驗 以得到相應(yīng)的換算關(guān)系。但目前對于里氏硬度與布 氏硬度之間轉(zhuǎn)換關(guān)系的研究并不多,田永紅[11]對球 磨鑄鐵進(jìn)行了里氏硬度和布氏硬度對比分析,以回歸 分析法得出了里氏與布氏硬度的換算關(guān)系為
式中:HBW 為布氏硬度;HLD 為里氏硬度。
此試驗條件有一定局限性,硬度范圍不夠?qū)?(221~249HBW),因此,只有硬度在該范圍內(nèi)時, 用回歸方程換算出來的硬度才較為理想。
王濤等[12]采用不同熱處理方法對P92鋼進(jìn)行 硬度對比試驗,得到里氏硬度與布氏硬度的轉(zhuǎn)換關(guān) 系為
楊小敏等[13]通過對42CrMo鑄鋼進(jìn)行淬火和 回火熱處理測得其里氏硬度和布氏硬度,建立了兩 種硬度的對應(yīng)關(guān)系為
以上研究建立了不同材料的里氏硬度與布氏硬 度之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,對實(shí)際工作中硬度準(zhǔn)確的測量 具有一定的指導(dǎo)意義,但硬度的分布范圍有一定的 局限性。硬度分布不均勻、范圍不夠廣,超過該范圍 的里氏硬度與布氏硬度的關(guān)系會有所不同,若采用 統(tǒng)一的轉(zhuǎn)換關(guān)系又勢必會造成誤差,影響硬度檢測 的準(zhǔn)確性。因此,筆者采用頂端淬火和整體熱處理 工藝對P22鋼進(jìn)行試驗,以獲得分布范圍較寬的里 氏與布氏硬度值,并建立P22鋼里氏硬度與布氏硬 度的轉(zhuǎn)換關(guān)系。
1 試驗材料與試驗方法
1.1 試樣制備
試驗材料為P22鋼管,其主要化學(xué)成分如表1所 示,可見該次試驗用P22鋼管的化學(xué)成分滿足ASTM A335/A335M-2018對P22鋼的成分要求。在P22 鋼管上切取3根頂端淬火試樣圓棒和整體熱處理試 樣,整體熱處理的試樣尺寸為65mm×30mm× 20mm,頂端淬火試樣的尺寸如圖1所示。
1.2 熱處理工藝
對試樣進(jìn)行頂端淬火,頂端淬火的加熱溫度為 965℃,保溫時間40min,當(dāng)溫度達(dá)到965℃時將試 樣放入XS3-4-1400型馬弗爐,為防止試樣表面發(fā)生 脫碳及氧化,將試樣放入石墨顆粒中,待溫度重新升 至965℃時開始保溫計時[14]。保溫結(jié)束后,將試樣 取出放置在頂端淬火設(shè)備上進(jìn)行頂端淬火,淬火時 間為15min,噴水口的內(nèi)徑為12mm,試樣與噴水 口的距離為 12.5mm,頂端淬火試驗流程如圖2 所示。
將整體熱處理試樣加熱至965℃,保溫40min 后分別進(jìn)行正火、淬火、回火以及退火等熱處理,試 驗設(shè)計了10種工藝,每種工藝3個試樣,具體工藝 設(shè)計如表2所示。
將頂端淬火后的圓棒試樣切成尺寸為100mm× 17mm×17mm 的長方體,和整體熱處理試樣同 在 MP-2B型研磨拋光機(jī)上打磨拋光至試樣表面光 滑平坦,使試樣表面達(dá)到 GB/T17394.1—2014和 GB/T231.1—2018《金屬材料 里氏硬度試驗 第1 部分:試驗方法》所要求的里氏和布氏硬度測試 標(biāo)準(zhǔn)。
1.3 硬度測試
依據(jù) GB/T231.1—2018,采用 HBRVU-187.5 型布洛 維 硬 度 計 在 試 樣 的 表 面 測 試 硬 度,使 用 ?2.5mm的硬質(zhì)合金壓頭,加載載荷1839N,保持 時間10s。具體操作為,分別以測試點(diǎn)距離試樣邊 緣3、4、5mm間隔和兩測試點(diǎn)之間距離3mm的間 隔開 始 測 試 布 氏 硬 度,待 硬 度 值 變 化 不 超 過 10HBW 時增加測試間隔,同一水平位置取3個測 試點(diǎn),3個布氏硬度值的平均值作為最后的布氏硬 度值。依據(jù)GB/T17394.1—2014,試樣的質(zhì)量小于 試驗允許的最小質(zhì)量時,需要根據(jù)試驗要求對試樣 進(jìn)行剛性支承并耦合到載物臺上進(jìn)行試驗,具體操 作為:借 助 凡 士 林 作 為 耦 合 劑 將 試 樣 耦 合 到 高 8cm、質(zhì)量為5kg、表面粗糙度為50nm 的載物臺 上,使用 HLN-11A 型里氏硬度計在布氏硬度測試 面的相鄰面進(jìn)行對應(yīng)點(diǎn)的里氏硬度測試,頂端淬火 試樣的硬度測試示意圖如圖3所示。
在整體熱處理試樣上選取5個區(qū)域的中心部位測試布氏硬度值,在布氏硬度壓痕周圍均勻分布的5個位置測試?yán)锸嫌捕?如圖4所示。測試結(jié)束后 將5個布氏硬度的平均值與25個里氏硬度的平均 值作為一組對應(yīng)值。
待完成硬度測試后,對試樣進(jìn)行切割、打磨、拋 光,然后經(jīng)4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液浸蝕,最后 采用光學(xué)顯微鏡觀察不同硬度區(qū)域的顯微組織 形貌。
2 試驗結(jié)果與討論
2.1 P22鋼的里氏與布氏硬度轉(zhuǎn)換關(guān)系
P22鋼在不同熱處理工藝下的里氏硬度和布氏 硬度如表3所示。采用origin軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處 理,將里氏硬度作為橫坐標(biāo)、布氏硬度作為縱坐標(biāo), 對數(shù)據(jù)值進(jìn)行曲線擬合并通過軟件計算回歸方程。 對頂端淬火數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后得到的里氏與布氏 硬度回歸曲線如圖5所示,里氏與布氏硬度的轉(zhuǎn)換 關(guān)系為
由圖5可知,里氏硬度主要分布在425~675HLD 之間,在低于575HLD時,硬度分布比較均勻且離 散程度較低,而在高于575HLD時,硬度分布相對 離散,并且缺乏更高硬度區(qū)間的數(shù)值分布,導(dǎo)致該頂 端淬火工藝下的里氏與布氏硬度關(guān)系不能全面地包 括更高硬度范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)換關(guān)系。
圖6為整體熱處理工藝下里氏與布氏硬度的回 歸曲線,可以得到里氏與布氏硬度的轉(zhuǎn)換關(guān)系為
由圖6可知,與頂端淬火工藝相比,整體熱處理 得到了高于675HLD的硬度值,一定程度上擴(kuò)大了 硬度值的區(qū)間范圍,但整體熱處理工藝下硬度分布 較寬,導(dǎo)致575~650HLD區(qū)間內(nèi)硬度值缺失,不能 精準(zhǔn)地得到里氏與布氏硬度的轉(zhuǎn)換關(guān)系。
對頂端淬火和不同整體熱處理工藝得到數(shù)據(jù)分 別進(jìn)行處理存在著一定的局限性,因此將所有熱處 理工藝測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,得到的里氏與布 氏硬度回歸曲線如圖7所示。由圖7可知,整體熱 處理工藝能得到更高的硬度值,從而擴(kuò)大了硬度值 的范圍,同時通過頂端淬火工藝得到的硬度值補(bǔ)充整體熱處理硬度的缺失,使硬度值的分布范圍更廣、 更均勻以及更全面,最終獲得425~775HLD區(qū)間 內(nèi)的硬度,并得到里氏與布氏硬度的轉(zhuǎn)換關(guān)系為
因此,基于頂端淬火以及整體熱處理獲得的數(shù) 據(jù),建立了從低硬度到高硬度更大范圍內(nèi)里氏硬度 與布氏硬度的回歸關(guān)系,以期在一定程度上滿足不 同區(qū)間硬度轉(zhuǎn)換的需求,從而減小在實(shí)際檢測中帶 來的誤差。
2.2 顯微組織
圖8為不同工藝熱處理后 P22鋼在不同硬度 區(qū)域內(nèi)的顯微組織形貌。由圖8a)、b)可知,在頂端 淬火試樣的低硬度區(qū)域,試樣的顯微組織主要以鐵 素體+珠光體為主。圖8c)、d)為頂端淬火試樣高 硬度區(qū)域的顯微組織形貌,由圖8c)可以看出其顯 微組織為珠光體+貝氏體+少量鐵素體,而圖8d) 顯微組織中開始形成少量板狀馬氏體,這說明在頂 端淬火中隨著冷卻速度的增大,鐵素體明顯減少,貝 氏體逐漸增多,并在淬火端有馬氏體的形成,這一現(xiàn) 象與文獻(xiàn)[15]中的研究基本一致。從正火端到淬火 端,試樣組織由鐵素體+珠光體,逐漸向鐵素體+珠 光體+貝氏體以及貝氏體+馬氏體轉(zhuǎn)變。圖8e)、f) 為P22鋼在風(fēng)冷和水淬后的顯微組織形貌,主要是 以馬氏體為主,由于 P22鋼中含有大量鉻、銅等元 素,使其具有良好的淬透性。由圖8e)可以看出,風(fēng) 冷后的 P22鋼的顯微組織為板條馬氏體且晶粒尺 寸較大,而經(jīng)過水淬的P22鋼的顯微組織以針狀馬 氏體為主,如圖8f)所示,這種針狀馬氏體具有比板 條馬氏體更高的硬度,顯微組織的變化很好地對應(yīng) 了硬度的變化趨勢。
3 結(jié)論
通過對 P22鋼進(jìn)行頂端淬火與整體熱處理 等試驗,得到了分布范圍更廣且更均勻的里氏與 布氏硬度,并對其里氏-布氏硬度之間的關(guān)系進(jìn)行 了回歸分析。在該次試驗所采用的研究方法下, 建立了 P22鋼在硬度值425~775HLD范圍內(nèi) 里氏 硬 度 與 布 氏 硬 度 的 轉(zhuǎn) 換 關(guān) 系,即 HBW = 0.0016H2 LD-0.66HLD+155.7。
參考文獻(xiàn):
[1] 張輝,李茂東,盧忠銘,等.SA335-P22鋼主蒸汽管道 非破壞性剩余壽命評估方法[J].理化檢驗(物理分 冊),2015,51(2):100-104.
[2] 李巨峰.高溫氣冷堆核電站蒸汽發(fā)生器國產(chǎn)化探討 [J].電力技術(shù),2010,19(17):106-109.
[3] BUDZAKOSKAT E,DUNNE D,LIH,etal. Structuralmetastabilityof“cold”repairweldsin2.25Cr-1Mo(P22)steelunderelevatedtemperature andstressconditions[J]. Materials Scienceand Engineering:A,2017,705:315-324.
[4] 房金秋.10CrMo910鋼再熱蒸汽管道剩余壽命評估 在國產(chǎn)200MW 機(jī)組中的應(yīng)用[J].民營科技,2014 (12):33-34.
[5] 龍杰,王福明.抗氫2.25Cr-1Mo鋼熱處理工藝與性能 研究[J].寬厚板,2006(9):19-23.
[6] 趙遠(yuǎn),李輝,龍華明,等.里氏硬度計工程應(yīng)用的影響 因素及實(shí)用性探討[J].理化檢驗(物理分冊),2018, 54(4):262-264.
[7] 楊德堅.便攜式里氏硬度計測量精度的影響因素[J]. 計量與測試技術(shù),2014,41(3):45-46.
[8] 王智春,蔡文河,吳勇,等.便攜式里氏硬度計檢測緊 固件硬度偏差原因分析[J].華北電力技術(shù),2009(1): 27-29.
[9] 桑國旗.里氏硬度計的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].理化檢驗 (物理分冊),2017,53(6):400-404.
[10] 蔡文河,李煒麗,董樹青,等.關(guān)于 T/P91鋼和 T/P92 鋼里氏硬度與布氏硬度換算差異性的物理學(xué)解釋 [J].理化檢驗(物理分冊),2018,54(10):726-732.
[11] 田永紅.里氏硬度儀用于球墨鑄鐵件測試精度的分析 [J].機(jī)械管理開發(fā),2001(3):59-61.
[12] 王濤,荊洪陽,徐連勇,等.基于里氏硬度測量的 P92 鋼及焊縫布氏硬度的計算[J].焊接學(xué)報,2016,37 (9):87-90.
[13] 楊小敏,袁德輝,何武.42CrMo鑄鋼里氏硬度與布氏 硬度換算公式[J].管理與技術(shù),2005(1):37-41.
[14] 靳燕,麻永林.P22耐熱管的熱處理工藝研究[J].包 鋼科技,2016,42(3):48-50.
[15] 韓少強(qiáng),趙吉慶,萬潤東,等.組織形態(tài)對2.25Cr-1Mo 鋼長期時效穩(wěn)定性的影響[J].金屬熱處理,2020,45 (2):16-23.