郭延军,朱海宝,吴 烨 (华电电力科学研究院,杭州 ３１００３０)
摘 要:针对１０Cr９Mo１VNbN 钢大直径三通锻件的布氏硬度规定值取值问题,对部分同种材料 锻件的布氏硬度与抗拉强度数据进行了统计分析,并给出了布氏硬度与抗拉强度换算的关系公式; 对６００MW超临界机组安装现场 F９１(即１０Cr９Mo１VNbN)钢大直径锻制三通成品进行了表面硬 度测试以验证其硬度均匀性.在参照国内外相关标准对同类材料硬度规定的基础上,研究分析确 定:１０Cr９Mo１VNbN 钢大直径三通锻件的布氏硬度应控制在１９０~２４８HBW,同一锻件的硬度均 匀性偏差应不大于４０HBW.
关键词:１０Cr９Mo１VNbN 钢;大直径三通锻件;硬度;规定值;均匀性偏差 中图分类号:TG１１３．２５;TG１１５．５ 文献标志码:A 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１７)０６Ｇ０３９６Ｇ０４
我国材料牌号１０Cr９Mo１VNbN 在美国材料与 试验学会标准 ASTM A１８２－２０１６ [１]中的对应牌号 为 F９１,在 ASTM A３３５－２０１５ [２]中的牌号为 P９１, 在欧 洲 标 准 EN １０２１６Ｇ２:２０１３ [３]和 EN １０２２２Ｇ２: ２０００ [４]中的对应牌号为 X１０CrMoVNb９Ｇ１,该材料 是亚临界和超临界机组高温蒸汽管道及其组成件、 联箱部件等广泛应用的马氏体耐热钢.新修订的电 力行业标准 DL/T４７３(现 行 标 准 是 DL/T４７３－ １９９２«大直径三通锻件技术条件»)列入了该锻件材 料牌号.正 如ISO１８２６５:２０１３ [５]中 所 指 出 的,硬 度试验是在 相 对 较 短 的 时 间 内、以 有 限 的 损 伤 提 供材料力学 性 能 信 息 的 一 种 检 验 方 式,故 在 对 成 品部件无法 取 样 进 行 拉 伸 试 验 的 条 件 下,硬 度 试 验成为反映材料力学性能的一种方便快捷的检验 方法对于国产铬 含 量 在 ９％ ~１２％(质 量 分 数, 以下表示为９％~１２％Cr)的钢管和管件,硬度过 低可能无法 满 足 材 料 的 拉 伸 强 度 要 求,而 硬 度 过高则可能 无 法 满 足 材 料 的 冲 击 吸 收 能 量 要 求[６].
因此,标准中如何规定该锻件材料的硬度,对锻件 质量验收以及通过硬度试验结果表征锻件材料的 力 学 性 能 而 言 至 关 重 要. 为 此,笔 者 基 于 对 １０Cr９Mo１VNbN 钢同种材料锻件的硬度与抗拉强 度的统计、国 内 外 相 关 标 准 对 同 类 材 料 硬 度 的 规 定以及现场 测 试 结 果 的 分 析,给 出 了 布 氏 硬 度 与 抗拉强度的 关 系 公 式,科 学 规 定 了 大 直 径 三 通 锻 件材料１０Cr９Mo１VNbN 钢的硬度数值,这对于通 过非破坏性的快捷硬度试验方法[７]来确认大直径 三通锻件的 强 度 性 能、保 证 成 品 锻 制 三 通 服 役 后 的运行安全性具有重要意义.
１ 试验材料
大直径三通锻件材料１０Cr９Mo１VNbN 钢的化 学成分和力学性能是在参照 ASTM A１８２－２０１６和 EN１０２２２Ｇ２:２０００的基础上确定的,分别见表１和 表２.
２ 硬度标准取值及硬度均匀性问题分析
２．１ 相关标准对硬度的规定
现 行 电 力 行 业 标 准 DL/T ４３８－２０１６ [８] 对 ９％~１２％Cr系列钢制造的锻造管件(成品锻制三 通 )硬 度 要 求 为 １８０ ~ ２５０ HBW,考 虑 到 １０Cr９Mo１VNbN 钢大直径三通锻件在形成成品管 件过程中的二次机械加工后的硬度差异及配管后整 体焊后热处理的影响,其标准硬度下限值应高于成 品锻制三通的. ASTM A３３５－２００９及其之前的版本对 P９１钢 的硬度要求为不超过２５０ HBW,未规定硬度下限 值;ASTM A３３５－２００９a及 其 以 后 的 版 本 规 定 了 P９１钢的硬度下限值,要求硬度为１９０~２５０HBW, 其对抗拉强度(Rm ≥５８５ MPa)、屈服强度、断后伸 长率和断面收缩率的要求未发生变化. 在 ASTM A１８２－２０１０a及其以前的版本中,对 F９１钢的抗拉强度要求为Rm ≥５８５ MPa,硬度上限 值为２４８HBW,未规定硬度下限值;在２０１１年修订 后的 ASTM A１８２－２０１１版本中,对 F９１钢的抗拉 强度要求修订为Rm ≥６２０MPa,除硬度上限值外还 规定了硬度下限值,即１９０~２４８HBW,其拉伸性能 的其他指标如屈服强度、断后伸长率和断面收缩率保持不变,且一直沿用至今. 在现 行 欧 洲 标 准 EN １０２１６Ｇ２:２０１３ 和 EN １０２２２Ｇ２:２０００中,未对 X１０CrMoVNb９Ｇ１钢的硬度 进行要求.
２．２ 硬度与抗拉强度的对应关系探讨
２．２．１ 硬度与抗拉强度的试验数据统计分析
由于金属材料的布氏硬度与抗拉强度之间存在 较好的对应关系[９],因此通过对部分硬度在２００~ ２３７HBW 的 F９１钢锻件的硬度与抗拉强度的试验 数据进行统计分析,可得出其硬度与抗拉强度的关 系,如图１所示.用最小二乘法将其拟合于一条直 线(图１中的虚线),可得出表示该钢布氏硬度 HBW 与抗拉强度Rm 关系的直线方程如下：
按 照 式 (１)推 算,当 F９１ 钢 锻 件 硬 度 分 别 为 １７５,１９０,２４８HBW３个典型数值时,对应的抗拉强 度分别为６０２,６４５,８１１MPa.
２．２．２ 标准与文献资料提供的数据
国 际 标 准 ISO １８２６５:２０１３ 未 提 供 ９％ ~ １２％Cr耐热钢硬度与强度转换的数据,但其提供的 非合金与低合金钢硬度与强度转换数据(部分数据 见表３)具有很好的参考价值.采用插入法计算,布 氏硬度为１７５,１９０,２４８HBW 时所对应的抗拉强度 分别为５９１,６４０,８３８MPa.
文 献 [６]给 出 的 数 据 表 明:P９１ 钢 的 硬 度 为 １６８HBW 时,其抗拉强度Rm ≈５７０ MPa;P９１钢的 硬度为１９１ HBW 时,其抗拉强度 Rm ≈６６０MPa. 文献[６]还得出如下结论:P９１钢管件的硬度应控制 在１７５~２５０HBW.若按线性关系推算,在硬度为 １７５HBW 时,其抗拉强度Rm ≈５９７MPa.
２．３ 硬度规定值的确定 对比式
(１)推算值和ISO１８２６５:２０１３提供的数 据可以发现,由式(１)推算的抗拉强度数值与ISO １８２６５:２０１３ 提 供 的 数 值 相 差 较 小,１７５,１９０, ２４８HBW３个典型硬度所对应的抗拉强度偏差分 别仅为１．９％,０．８％,３．３％.
由以上分析可以看出,无论是ISO１８２６５:２０１３ 和文献[６]给出的数据,还是笔者对 F９１钢锻件的硬 度与对应抗拉强度的统计数据,都充分说明该钢在布 氏硬度为１７５HBW 时,其抗拉强度可满足标准规定 的不小于５８５MPa的要求.考虑到锻件的后续机加 工及配管焊后热处理对硬度的影响及大直径锻制三 通服役后的安全性,１０Cr９Mo１VNbN 钢大直径三通 锻件的规定硬度应高于１７５HB,参照 ASTM A１８２－ ２０１６规定,最终将１０Cr９Mo１VNbN 钢大直径三通锻 件的规定硬度确定为１９０~２４８HBW.
２．４ 表面硬度均匀性问题探讨
２．４．１ 相关标准规定
大直径三通锻件整体的硬度均匀性反映了热处 理过程中温度场的均匀性以及锻件各部位热处理状 态的一致性.GB/T１６９２３－２００８ [１０]对钢件表面硬 度的偏差范围(硬度均匀性)有明确规定,按照４级 工件品质等级(最低级)要求,同一工件的硬度偏差 应不超过４０HBW.DL/T４３８－２０１６虽然规定了 锻造管件的硬度应均匀,但取消了之前版本中的硬 度均匀性规定,即取消了同一管件的硬度偏差应不 大于５０HBW 的要求.
２．４．２ 实测结果分析
为验证大直径三通锻件的硬度均匀性问题,用 里氏硬度计分别对６００ MW 超临界机组基建安装 现场主蒸汽管道和再热蒸汽热段管道具备测试条件 的５件F９１钢成品锻制三通(主蒸汽管道２件,再热 蒸汽热段管道３件,见图２和图３)进行了表面硬度 测试,５件锻制三通的规格参数如表４所示.由于 成品锻制三通配管后经过整体回火热处理,其表面 硬度比原锻件本身硬度有所下降,故现场测试的主 蒸汽管道和再热蒸汽热段管道锻制三通的表面硬度
不一定满足新修订 DL/T４７３的要求.主蒸汽管道 ２件锻制三通实测表面硬度分布情况见图４,再热蒸 汽热段管道３件锻制三通实测表面硬度分布情况见 图５,每件锻制三通的测点数量及硬度最大值与最 小值见表５,每个测点取其５次测试值的平均值作 为该测点的硬度. 实测结果表明,同一锻制三通的硬度均匀性偏 差为１２~２９ HBW.由此可以看出,在按规范要求 进行正常热处理的条件下,工件的硬度均匀性是比较 好 的,完全可满足GB/T１６９２３－２００８规定的４级工件品质等级要求.因此,新修订的 DL/T４７３规定 １０Cr９Mo１VNbN 钢大直径三通锻件的硬度均匀性 偏差应不大于４０HBW.
３ 结论
(１) 对 于 １０Cr９Mo１VNbN 钢 大 直 径 三 通 锻 件,在确保硬度不低于１７５HBW 的情况下,可满足 标准规定的抗拉强度Rm ≥５８５MPa的要求
(２) .考虑到大直径三通锻件的后续机加工及配 管焊后热处理对硬度的影响,应对锻件的硬度下限 值考虑一定裕量.基于对 F９１钢锻件的硬度与抗 拉强度的统计分析及成品锻制三通的现场表面硬度 测试,参考 ASTM A１８２－２０１６等标准的规定,确定了１０Cr９Mo１VNbN 钢大直径三通锻件的硬度及均 匀性偏差要求,即硬度应控制在１９０~２４８HBW,同 一锻件的硬度均匀性偏差应不大于４０HBW.
(３) 按照该文给出的布氏硬度与抗拉强度的关 系公式 Rm ＝２．８６HBW ＋１０１．９,可通过简便的硬度 测试方法来推算１０Cr９Mo１VNbN 钢大直径三通锻 件材料的抗拉强度,这有利于在无法取样进行拉伸 试验的情况下了解掌握该材料的抗拉强度.
而虚拟化的里氏硬度计则是在手机或电脑上添 加信号采集硬件�？�(智能冲击装置)及基于图形用 户界面(GUI)的应用软件,然后借助手机或电脑设 备,实现强大的运算功能及通信功能.
３．４ 依托大行业的定制里氏硬度计
里氏硬度计必将打破一台标准机检测天下硬度 的“万金油”形象,将来会依托大行业,针对具体大行 业的实际生产流程,制定适合行业的检测方法,生成 更准确的硬度转换关系.时代 TIME５３０３型轧辊专 用硬度计即是对轧辊生产行业的一种定制机型.通 过对大量的轧辊试样进行对比试验[８],用试验数据对 某通用转换表进行修正,提高了轧辊工件的肖氏硬度 转换精度(里氏硬度转换为肖氏硬度),已经在轧辊生 产行业获得了更加广泛的应用.另外,里氏硬度计在 功能上如何适应大行业也需要给予充分考虑.
３．５ 用于自动化生产线的里氏硬度测试单元
自动化生产线具备提高劳动生产率、提高产品质 量、改善劳动条件等优势,在机械制造业中就有铸造、 锻造、冲压、热处理、焊接、切削加工、机械装配等诸多 生产线,自动化生产线是现代化生产的必然趋势.对 于自动化生产线上工件的质量控制也必然要求自动 化,因此无人值守、可实现自动测试的里氏硬度测试 装备会大有作为,将来可作为标准“里氏硬度测试单 元”,集成到自动化生产线上,成为生产大系统的众多 感知器官之一,大大提高检测效率和生产效率.
４ 结束语
里氏硬度计问世近４０a(年)来,因其不可替代 的优势,在金属材料的硬度检测领域得到了广泛的 应用.随着整个社会科技的不断进步,里氏硬度计 也必须要跟随时代的发展,各种新思维和新技术在 里氏硬度计上的应用,必将使里氏硬度计能够更加 适应现代化生产过程,并发挥出更大的作用.
（文章来源：材料与测试网-理化检验－物理分册>2017年>6期> pp.396）