摘 要:在电站锅炉实际检测中,通常会将现场检测的里氏硬度转换成布氏硬度,但现有的换算 关系缺乏材料针对性,且硬度范围也较窄。对P22钢进行了顶端淬火和整体热处理试验,获得硬 度范围更宽、分布更均匀的里氏硬度与布氏硬度,然后建立里氏硬度与布氏硬度之间的转换关系。 结果表明:P22钢的里氏硬度与布氏硬度之间呈二次回归关系,其转换关系为 HBW =0.0016H2 LD -0.66HLD+155.7。
关键词:P22钢;热处理;里氏硬度;布氏硬度;转换关系
中图分类号:TG115 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2021)10-0018-05
P22钢为2.25Cr-1Mo低合金钢,具有较高的热 强性能,良好的抗氧化性、抗氢蚀能力和焊接性能, 广泛应用于石油化工、核电及电站锅炉等高温设备 中[1-2]。在电站锅炉实际运行环境中,过高的蒸汽温 度和蒸汽压力对耐热钢提出了更高的要求。因此, 对P22钢进行安全性能评定具有重要意义。目前, 国内外对P22钢的研究多集中在焊接性能、寿命评 估及热处理工艺对其性能的影响方面[3-5]。硬度检 测是电站锅炉安全检验中的一种常用评定手段。耐 热钢的组织形态、残余应力以及加工工艺等都与硬 度密切相关。提高硬度检测的准确性和可靠性对电 站锅炉的安全评定有重要作用。
DL/T438—2009《火力发电厂金属技术监督规 程》和 DL/T869—2012《火力发电厂焊接技术规 程》中规定电站锅炉用钢硬度以布氏硬度值为标准, 但在实际工况中,布氏硬度测试有一定的局限性,而 里氏硬度计具有体积小、使用方法简单、便于携带、 检测效率高等优点,同时适用于测试大型、难以拆卸 以及特殊部位的工件,在电站工程现场已被广泛使 用[6-8]。然而将里氏硬度作为电站现场硬度检测的 评判标准还不成熟,并且现有的 GB/T17394.4—2014《金属材料 里氏硬度试验 第4部分:硬度值换 算表》中换算关系并未对不同材料作详细区分,P22 钢作为电站中常用的一种耐热钢,材料本身所固有 的特性以及受环境影响改变会影响两种硬度值之间 的关系。因此,在实际应用中应进行硬度对比分析 后再将里氏硬度转换为布氏硬度,以确保测试结果 的准确性[9-10]。
依据GB/T17394.1—2014《金属材料 里氏硬度 试验 第一部分:试验方法》,对于特定材料,将里氏硬 度较准确地换算为其他硬度,必须进行硬度对比试验 以得到相应的换算关系。但目前对于里氏硬度与布 氏硬度之间转换关系的研究并不多,田永红[11]对球 磨铸铁进行了里氏硬度和布氏硬度对比分析,以回归 分析法得出了里氏与布氏硬度的换算关系为
式中:HBW 为布氏硬度;HLD 为里氏硬度。
此试验条件有一定局限性,硬度范围不够宽 (221~249HBW),因此,只有硬度在该范围内时, 用回归方程换算出来的硬度才较为理想。
王涛等[12]采用不同热处理方法对P92钢进行 硬度对比试验,得到里氏硬度与布氏硬度的转换关 系为
杨小敏等[13]通过对42CrMo铸钢进行淬火和 回火热处理测得其里氏硬度和布氏硬度,建立了两 种硬度的对应关系为
以上研究建立了不同材料的里氏硬度与布氏硬 度之间的转换关系,对实际工作中硬度准确的测量 具有一定的指导意义,但硬度的分布范围有一定的 局限性。硬度分布不均匀、范围不够广,超过该范围 的里氏硬度与布氏硬度的关系会有所不同,若采用 统一的转换关系又势必会造成误差,影响硬度检测 的准确性。因此,笔者采用顶端淬火和整体热处理 工艺对P22钢进行试验,以获得分布范围较宽的里 氏与布氏硬度值,并建立P22钢里氏硬度与布氏硬 度的转换关系。
1 试验材料与试验方法
1.1 试样制备
试验材料为P22钢管,其主要化学成分如表1所 示,可见该次试验用P22钢管的化学成分满足ASTM A335/A335M-2018对P22钢的成分要求。在P22 钢管上切取3根顶端淬火试样圆棒和整体热处理试 样,整体热处理的试样尺寸为65mm×30mm× 20mm,顶端淬火试样的尺寸如图1所示。
1.2 热处理工艺
对试样进行顶端淬火,顶端淬火的加热温度为 965℃,保温时间40min,当温度达到965℃时将试 样放入XS3-4-1400型马弗炉,为防止试样表面发生 脱碳及氧化,将试样放入石墨颗粒中,待温度重新升 至965℃时开始保温计时[14]。保温结束后,将试样 取出放置在顶端淬火设备上进行顶端淬火,淬火时 间为15min,喷水口的内径为12mm,试样与喷水 口的距离为 12.5mm,顶端淬火试验流程如图2 所示。
将整体热处理试样加热至965℃,保温40min 后分别进行正火、淬火、回火以及退火等热处理,试 验设计了10种工艺,每种工艺3个试样,具体工艺 设计如表2所示。
将顶端淬火后的圆棒试样切成尺寸为100mm× 17mm×17mm 的长方体,和整体热处理试样同 在 MP-2B型研磨抛光机上打磨抛光至试样表面光 滑平坦,使试样表面达到 GB/T17394.1—2014和 GB/T231.1—2018《金属材料 里氏硬度试验 第1 部分:试验方法》所要求的里氏和布氏硬度测试 标准。
1.3 硬度测试
依据 GB/T231.1—2018,采用 HBRVU-187.5 型布洛 维 硬 度 计 在 试 样 的 表 面 测 试 硬 度,使 用 ?2.5mm的硬质合金压头,加载载荷1839N,保持 时间10s。具体操作为,分别以测试点距离试样边 缘3、4、5mm间隔和两测试点之间距离3mm的间 隔开 始 测 试 布 氏 硬 度,待 硬 度 值 变 化 不 超 过 10HBW 时增加测试间隔,同一水平位置取3个测 试点,3个布氏硬度值的平均值作为最后的布氏硬 度值。依据GB/T17394.1—2014,试样的质量小于 试验允许的最小质量时,需要根据试验要求对试样 进行刚性支承并耦合到载物台上进行试验,具体操 作为:借 助 凡 士 林 作 为 耦 合 剂 将 试 样 耦 合 到 高 8cm、质量为5kg、表面粗糙度为50nm 的载物台 上,使用 HLN-11A 型里氏硬度计在布氏硬度测试 面的相邻面进行对应点的里氏硬度测试,顶端淬火 试样的硬度测试示意图如图3所示。
在整体热处理试样上选取5个区域的中心部位测试布氏硬度值,在布氏硬度压痕周围均匀分布的5个位置测试里氏硬度,如图4所示。测试结束后 将5个布氏硬度的平均值与25个里氏硬度的平均 值作为一组对应值。
待完成硬度测试后,对试样进行切割、打磨、抛 光,然后经4%(体积分数)硝酸酒精溶液浸蚀,最后 采用光学显微镜观察不同硬度区域的显微组织 形貌。
2 试验结果与讨论
2.1 P22钢的里氏与布氏硬度转换关系
P22钢在不同热处理工艺下的里氏硬度和布氏 硬度如表3所示。采用origin软件对数据进行处 理,将里氏硬度作为横坐标、布氏硬度作为纵坐标, 对数据值进行曲线拟合并通过软件计算回归方程。 对顶端淬火数据进行分析处理后得到的里氏与布氏 硬度回归曲线如图5所示,里氏与布氏硬度的转换 关系为
由图5可知,里氏硬度主要分布在425~675HLD 之间,在低于575HLD时,硬度分布比较均匀且离 散程度较低,而在高于575HLD时,硬度分布相对 离散,并且缺乏更高硬度区间的数值分布,导致该顶 端淬火工艺下的里氏与布氏硬度关系不能全面地包 括更高硬度范围内的转换关系。
图6为整体热处理工艺下里氏与布氏硬度的回 归曲线,可以得到里氏与布氏硬度的转换关系为
由图6可知,与顶端淬火工艺相比,整体热处理 得到了高于675HLD的硬度值,一定程度上扩大了 硬度值的区间范围,但整体热处理工艺下硬度分布 较宽,导致575~650HLD区间内硬度值缺失,不能 精准地得到里氏与布氏硬度的转换关系。
对顶端淬火和不同整体热处理工艺得到数据分 别进行处理存在着一定的局限性,因此将所有热处 理工艺测得的数据进行回归分析,得到的里氏与布 氏硬度回归曲线如图7所示。由图7可知,整体热 处理工艺能得到更高的硬度值,从而扩大了硬度值 的范围,同时通过顶端淬火工艺得到的硬度值补充整体热处理硬度的缺失,使硬度值的分布范围更广、 更均匀以及更全面,最终获得425~775HLD区间 内的硬度,并得到里氏与布氏硬度的转换关系为
因此,基于顶端淬火以及整体热处理获得的数 据,建立了从低硬度到高硬度更大范围内里氏硬度 与布氏硬度的回归关系,以期在一定程度上满足不 同区间硬度转换的需求,从而减小在实际检测中带 来的误差。
2.2 显微组织
图8为不同工艺热处理后 P22钢在不同硬度 区域内的显微组织形貌。由图8a)、b)可知,在顶端 淬火试样的低硬度区域,试样的显微组织主要以铁 素体+珠光体为主。图8c)、d)为顶端淬火试样高 硬度区域的显微组织形貌,由图8c)可以看出其显 微组织为珠光体+贝氏体+少量铁素体,而图8d) 显微组织中开始形成少量板状马氏体,这说明在顶 端淬火中随着冷却速度的增大,铁素体明显减少,贝 氏体逐渐增多,并在淬火端有马氏体的形成,这一现 象与文献[15]中的研究基本一致。从正火端到淬火 端,试样组织由铁素体+珠光体,逐渐向铁素体+珠 光体+贝氏体以及贝氏体+马氏体转变。图8e)、f) 为P22钢在风冷和水淬后的显微组织形貌,主要是 以马氏体为主,由于 P22钢中含有大量铬、铜等元 素,使其具有良好的淬透性。由图8e)可以看出,风 冷后的 P22钢的显微组织为板条马氏体且晶粒尺 寸较大,而经过水淬的P22钢的显微组织以针状马 氏体为主,如图8f)所示,这种针状马氏体具有比板 条马氏体更高的硬度,显微组织的变化很好地对应 了硬度的变化趋势。
3 结论
通过对 P22钢进行顶端淬火与整体热处理 等试验,得到了分布范围更广且更均匀的里氏与 布氏硬度,并对其里氏-布氏硬度之间的关系进行 了回归分析。在该次试验所采用的研究方法下, 建立了 P22钢在硬度值425~775HLD范围内 里氏 硬 度 与 布 氏 硬 度 的 转 换 关 系,即 HBW = 0.0016H2 LD-0.66HLD+155.7。
参考文献:
[1] 张辉,李茂东,卢忠铭,等.SA335-P22钢主蒸汽管道 非破坏性剩余寿命评估方法[J].理化检验(物理分 册),2015,51(2):100-104.
[2] 李巨峰.高温气冷堆核电站蒸汽发生器国产化探讨 [J].电力技术,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钢再热蒸汽管道剩余寿命评估 在国产200MW 机组中的应用[J].民营科技,2014 (12):33-34.
[5] 龙杰,王福明.抗氢2.25Cr-1Mo钢热处理工艺与性能 研究[J].宽厚板,2006(9):19-23.
[6] 赵远,李辉,龙华明,等.里氏硬度计工程应用的影响 因素及实用性探讨[J].理化检验(物理分册),2018, 54(4):262-264.
[7] 杨德坚.便携式里氏硬度计测量精度的影响因素[J]. 计量与测试技术,2014,41(3):45-46.
[8] 王智春,蔡文河,吴勇,等.便携式里氏硬度计检测紧 固件硬度偏差原因分析[J].华北电力技术,2009(1): 27-29.
[9] 桑国旗.里氏硬度计的发展现状与趋势[J].理化检验 (物理分册),2017,53(6):400-404.
[10] 蔡文河,李炜丽,董树青,等.关于 T/P91钢和 T/P92 钢里氏硬度与布氏硬度换算差异性的物理学解释 [J].理化检验(物理分册),2018,54(10):726-732.
[11] 田永红.里氏硬度仪用于球墨铸铁件测试精度的分析 [J].机械管理开发,2001(3):59-61.
[12] 王涛,�：檠�,徐连勇,等.基于里氏硬度测量的 P92 钢及焊缝布氏硬度的计算[J].焊接学报,2016,37 (9):87-90.
[13] 杨小敏,袁德辉,何武.42CrMo铸钢里氏硬度与布氏 硬度换算公式[J].管理与技术,2005(1):37-41.
[14] 靳燕,麻永林.P22耐热管的热处理工艺研究[J].包 钢科技,2016,42(3):48-50.
[15] 韩少强,赵吉庆,万润东,等.组织形态对2.25Cr-1Mo 钢长期时效稳定性的影响[J].金属热处理,2020,45 (2):16-23.