摘 要:在電站鍋爐實際檢測中,通常會將現場檢測的里氏硬度轉換成布氏硬度,但現有的換算 關系缺乏材料針對性,且硬度范圍也較窄。對P22鋼進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換關系。 結果表明:P22鋼的里氏硬度與布氏硬度之間呈二次回歸關系,其轉換關系為 HBW =0.0016H2 LD -0.66HLD+155.7。
關鍵詞:P22鋼;熱處理;里氏硬度;布氏硬度;轉換關系
中圖分類號:TG115 文獻標志碼: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 強性能,良好的抗氧化性、抗氫蝕能力和焊接性能, 廣泛應用于石油化工、核電及電站鍋爐等高溫設備 中[1-2]。在電站鍋爐實際運行環境中,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鋼進行安全性能評定具有重要意義。目前, 國內外對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、殘余應力以及加工工藝等都與硬 度密切相關。提高硬度檢測的準確性和可靠性對電 站鍋爐的安全評定有重要作用。
DL/T438—2009《火力發電廠金屬技術監督規 程》和 DL/T869—2012《火力發電廠焊接技術規 程》中規定電站鍋爐用鋼硬度以布氏硬度值為標準, 但在實際工況中,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、 檢測效率高等優點,同時適用于測試大型、難以拆卸 以及特殊部位的工件,在電站工程現場已被廣泛使 用[6-8]。然而將里氏硬度作為電站現場硬度檢測的 評判標準還不成熟,并且現有的 GB/T17394.4—2014《金屬材料 里氏硬度試驗 第4部分:硬度值換 算表》中換算關系并未對不同材料作詳細區分,P22 鋼作為電站中常用的一種耐熱鋼,材料本身所固有 的特性以及受環境影響改變會影響兩種硬度值之間 的關系。因此,在實際應用中應進行硬度對比分析 后再將里氏硬度轉換為布氏硬度,以確保測試結果 的準確性[9-10]。
依據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 度較準確地換算為其他硬度,必須進行硬度對比試驗 以得到相應的換算關系。但目前對于里氏硬度與布 氏硬度之間轉換關系的研究并不多,田永紅[11]對球 磨鑄鐵進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,硬度范圍不夠寬 (221~249HBW),因此,只有硬度在該范圍內時, 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鋼進行 硬度對比試驗,得到里氏硬度與布氏硬度的轉換關 系為
楊小敏等[13]通過對42CrMo鑄鋼進行淬火和 回火熱處理測得其里氏硬度和布氏硬度,建立了兩 種硬度的對應關系為
以上研究建立了不同材料的里氏硬度與布氏硬 度之間的轉換關系,對實際工作中硬度準確的測量 具有一定的指導意義,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系會有所不同,若采用 統一的轉換關系又勢必會造成誤差,影響硬度檢測 的準確性。因此,筆者采用頂端淬火和整體熱處理 工藝對P22鋼進行試驗,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 度的轉換關系。
1 試驗材料與試驗方法
1.1 試樣制備
試驗材料為P22鋼管,其主要化學成分如表1所 示,可見該次試驗用P22鋼管的化學成分滿足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
對試樣進行頂端淬火,頂端淬火的加熱溫度為 965℃,保溫時間40min,當溫度達到965℃時將試 樣放入XS3-4-1400型馬弗爐,為防止試樣表面發生 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]。保溫結束后,將試樣 取出放置在頂端淬火設備上進行頂端淬火,淬火時 間為15min,噴水口的內徑為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 后分別進行正火、淬火、回火以及退火等熱處理,試 驗設計了10種工藝,每種工藝3個試樣,具體工藝 設計如表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型研磨拋光機上打磨拋光至試樣表面光 滑平坦,使試樣表面達到 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 標準。
1.3 硬度測試
依據 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,分別以測試點距離試樣邊 緣3、4、5mm間隔和兩測試點之間距離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,3個布氏硬度值的平均值作為最后的布氏硬 度值。依據GB/T17394.1—2014,試樣的質量小于 試驗允許的最小質量時,需要根據試驗要求對試樣 進行剛性支承并耦合到載物臺上進行試驗,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 面的相鄰面進行對應點的里氏硬度測試,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個位置測試里氏硬度,如圖4所示。測試結束后 將5個布氏硬度的平均值與25個里氏硬度的平均 值作為一組對應值。
待完成硬度測試后,對試樣進行切割、打磨、拋 光,然后經4%(體積分數)硝酸酒精溶液浸蝕,最后 采用光學顯微鏡觀察不同硬度區域的顯微組織 形貌。
2 試驗結果與討論
2.1 P22鋼的里氏與布氏硬度轉換關系
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軟件對數據進行處 理,將里氏硬度作為橫坐標、布氏硬度作為縱坐標, 對數據值進行曲線擬合并通過軟件計算回歸方程。 對頂端淬火數據進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換 關系為
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間的數值分布,導致該頂 端淬火工藝下的里氏與布氏硬度關系不能全面地包 括更高硬度范圍內的轉換關系。
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換關系為
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,一定程度上擴大了 硬度值的區間范圍,但整體熱處理工藝下硬度分布 較寬,導致575~650HLD區間內硬度值缺失,不能 精準地得到里氏與布氏硬度的轉換關系。
對頂端淬火和不同整體熱處理工藝得到數據分 別進行處理存在著一定的局限性,因此將所有熱處 理工藝測得的數據進行回歸分析,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區間 內的硬度,并得到里氏與布氏硬度的轉換關系為
因此,基于頂端淬火以及整體熱處理獲得的數 據,建立了從低硬度到高硬度更大范圍內里氏硬度 與布氏硬度的回歸關系,以期在一定程度上滿足不 同區間硬度轉換的需求,從而減小在實際檢測中帶 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 區域內的顯微組織形貌。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 象與文獻[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+馬氏體轉變。圖8e)、f) 為P22鋼在風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 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 了硬度的變化趨勢。
3 結論
通過對 P22鋼進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-布氏硬度之間的關系進行 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 里氏 硬 度 與 布 氏 硬 度 的 轉 換 關 系,即 HBW = 0.0016H2 LD-0.66HLD+155.7。
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