摘 要:在電站鍋爐實(shí)際檢測(cè)中,通常會(huì)將現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)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(duì)性,且硬度范圍也較窄。對(duì)P22鋼進(jìn)行了頂端淬火和整體熱處理試驗(yàn),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(hào):TG115 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):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(guò)高的蒸汽溫 度和蒸汽壓力對(duì)耐熱鋼提出了更高的要求。因此, 對(duì)P22鋼進(jìn)行安全性能評(píng)定具有重要意義。目前, 國(guó)內(nèi)外對(duì)P22鋼的研究多集中在焊接性能、壽命評(píng) 估及熱處理工藝對(duì)其性能的影響方面[3-5]。硬度檢 測(cè)是電站鍋爐安全檢驗(yàn)中的一種常用評(píng)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(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性對(duì)電 站鍋爐的安全評(píng)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(cè)試有一定的局限性,而 里氏硬度計(jì)具有體積小、使用方法簡(jiǎn)單、便于攜帶、 檢測(cè)效率高等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)適用于測(cè)試大型、難以拆卸 以及特殊部位的工件,在電站工程現(xiàn)場(chǎng)已被廣泛使 用[6-8]。然而將里氏硬度作為電站現(xiàn)場(chǎng)硬度檢測(cè)的 評(píng)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(yàn) 第4部分:硬度值換 算表》中換算關(guān)系并未對(duì)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(huì)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(duì)比分析 后再將里氏硬度轉(zhuǎn)換為布氏硬度,以確保測(cè)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(yàn) 第一部分:試驗(yàn)方法》,對(duì)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(duì)比試驗(yàn) 以得到相應(yīng)的換算關(guān)系。但目前對(duì)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(duì)球 磨鑄鐵進(jìn)行了里氏硬度和布氏硬度對(duì)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(yàn)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(shí), 用回歸方程換算出來(lái)的硬度才較為理想。

王濤等[12]采用不同熱處理方法對(duì)P92鋼進(jìn)行 硬度對(duì)比試驗(yàn),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(guò)對(duì)42CrMo鑄鋼進(jìn)行淬火和 回火熱處理測(cè)得其里氏硬度和布氏硬度,建立了兩 種硬度的對(duì)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(duì)實(shí)際工作中硬度準(zhǔn)確的測(cè)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(guò)該范圍 的里氏硬度與布氏硬度的關(guān)系會(huì)有所不同,若采用 統(tǒng)一的轉(zhuǎn)換關(guān)系又勢(shì)必會(huì)造成誤差,影響硬度檢測(cè) 的準(zhǔn)確性。因此,筆者采用頂端淬火和整體熱處理 工藝對(duì)P22鋼進(jìn)行試驗(yàn),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(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)材料為P22鋼管,其主要化學(xué)成分如表1所 示,可見(jiàn)該次試驗(yàn)用P22鋼管的化學(xué)成分滿足ASTM A335/A335M-2018對(duì)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(duì)試樣進(jìn)行頂端淬火,頂端淬火的加熱溫度為 965℃,保溫時(shí)間40min,當(dāng)溫度達(dá)到965℃時(shí)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(shí)開(kāi)始保溫計(jì)時(shí)[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(shí) 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(yàn)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(yàn)設(shè)計(jì)了10種工藝,每種工藝3個(gè)試樣,具體工藝 設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(yàn) 第1 部分:試驗(yàn)方法》所要求的里氏和布氏硬度測(cè)試 標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 硬度測(cè)試

依據(jù) GB/T231.1—2018,采用 HBRVU-187.5 型布洛 維 硬 度 計(jì) 在 試 樣 的 表 面 測(cè) 試 硬 度,使 用 ?2.5mm的硬質(zhì)合金壓頭,加載載荷1839N,保持 時(shí)間10s。具體操作為,分別以測(cè)試點(diǎn)距離試樣邊 緣3、4、5mm間隔和兩測(cè)試點(diǎn)之間距離3mm的間 隔開(kāi) 始 測(cè) 試 布 氏 硬 度,待 硬 度 值 變 化 不 超 過(guò) 10HBW 時(shí)增加測(cè)試間隔,同一水平位置取3個(gè)測(cè) 試點(diǎn),3個(gè)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(yàn)允許的最小質(zhì)量時(shí),需要根據(jù)試驗(yàn)要求對(duì)試樣 進(jìn)行剛性支承并耦合到載物臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn),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(tái) 上,使用 HLN-11A 型里氏硬度計(jì)在布氏硬度測(cè)試 面的相鄰面進(jìn)行對(duì)應(yīng)點(diǎn)的里氏硬度測(cè)試,頂端淬火 試樣的硬度測(cè)試示意圖如圖3所示。

在整體熱處理試樣上選取5個(gè)區(qū)域的中心部位 測(cè)試布氏硬度值,在布氏硬度壓痕周圍均勻分布的5個(gè)位置測(cè)試?yán)锸嫌捕?如圖4所示。測(cè)試結(jié)束后 將5個(gè)布氏硬度的平均值與25個(gè)里氏硬度的平均 值作為一組對(duì)應(yīng)值。

待完成硬度測(cè)試后,對(duì)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(yàn)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(duì)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(duì)數(shù)據(jù)值進(jìn)行曲線擬合并通過(guò)軟件計(jì)算回歸方程。 對(duì)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(shí),硬度分布比較均勻且離 散程度較低,而在高于575HLD時(shí),硬度分布相對(duì) 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(duì)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(cè)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(shí)通過(guò)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(cè)中帶 來(lái)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(kāi)始形成少量板狀馬氏體,這說(shuō)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(guò)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(duì)應(yīng) 了硬度的變化趨勢(shì)。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì) P22鋼進(jìn)行頂端淬火與整體熱處理 等試驗(yàn),得到了分布范圍更廣且更均勻的里氏與 布氏硬度,并對(duì)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(yàn)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。

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