摘要:以不同硬度的P91鋼管件和低合金鋼管件作為研究對(duì)象,在消除外~因素(試樣溫度、 剛性、質(zhì)量及表面狀況等)導(dǎo)致的誤差后,通過硬度對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),相對(duì)于真實(shí)布氏硬度佳,低硬度 P9 銅管件的布氏硬度轉(zhuǎn)換值 (HB LD) 仍然存在較大負(fù)偏差。根據(jù)力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果,結(jié)合里 氏硬度檢測(cè)原理及強(qiáng)化理論,分析了 HBHLD 值產(chǎn)生偏差的內(nèi)在原因.結(jié)果表明 P91 鋼管件硬 度的降低伴隨著固溶強(qiáng)化及位錯(cuò)強(qiáng)化效果的減弱,致使屈強(qiáng)比降低,是導(dǎo)致其 HBHLD 值出現(xiàn)負(fù) 偏差的主要原因;彈性模量的微小變化對(duì)其影響不大 關(guān)鍵 P91 鋼管;里氏硬度;布氏硬度轉(zhuǎn)換值;屈強(qiáng)比;彈性模量.
Abstract: The P91 steel pipes and l?w alloy stccl pipes with diHerent hardness values were sclected as the research objects 10 analyze. On the premise of e1iminaling error caused by environmenlal faclors (such as specimen temperature, rigidity, weight and surface nditio的, Ihrough lhe hardness mpanson lesl. it was rfound al lhe HBHLD value of low hardness P91 steel pipes remaincd negalive deviation mpared to lhe real HBW value. Ac rding to the results of the mechanical pro rties testing . thc intrinsic reasons of HBHLD value deviation was anaJyzed mbining Leeb hardness testing principle and the rcinforcement th ry. The results show that the decrωse of hardness of P91 st pipe ac mpanied by weakening of solid solution slrengthening and disl ation strengthening eHects resulted in the decrease of the yield ratio, which was the main reason for lhe negalive deviation of the HBHLD, and the tiny change of elastic modulus had litde effect on lhe deviation. Keywords: P91 Leeb hardness; HBHLD, yield ralio; elaslic ulus
里氏硬度檢測(cè)為回彈式硬度檢測(cè)方法的 種, 便攜式里氏硬度計(jì)解決了其他方法難以勝任的對(duì)不 易移動(dòng)的大型工件和不易拆卸的大型部件及構(gòu)件的 檢驗(yàn)問題,具有操作快速簡(jiǎn)便、非破壞性等優(yōu)點(diǎn),已 廣泛應(yīng)用于電站合金鋼管道的硬度檢測(cè)工作 由于P9 鋼在高溫下具有良好的抗氧化性和組 織穩(wěn)定性,已被廣泛應(yīng)用于亞臨界、超臨界機(jī)組的鍋 爐高溫集箱、主蒸汽管道及再熱蒸汽熱段管道。但近年來頻頻出現(xiàn)P9 鋼管件硬度偏低、組織異常的問 題,嚴(yán)重影響其使用壽命及安全性.現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外標(biāo) 準(zhǔn)規(guī)定了四 鋼管件的莊人式硬度值范圍,例如 L/ T 438 ∞現(xiàn)火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程 附錄 對(duì)內(nèi) 鋼管件硬度的推薦值為 180........250 面。為了 便于質(zhì)量驗(yàn)收,通常使用便攜式里氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度 檢測(cè) 然后利用儀器自帶的換算功能將其轉(zhuǎn)換為壓人 式硬度 。例如 型探頭的里氏硬度值以 LD 示,由其轉(zhuǎn)換的布氏硬度值以 HB LD 示. 里氏硬度計(jì)的測(cè)試誤差與測(cè)試部位的表面粗糙度、污物、 率半徑、表面溫度、振動(dòng)等因素有關(guān)[口在消除這些影響因素后,通過對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)低硬度 件的 HBHLD 值仍普遍低于臺(tái)式 氏硬度計(jì)所測(cè)的 。筆者通過對(duì)不同類型管件的硬度對(duì)比試驗(yàn)及力學(xué)性能試驗(yàn) 基于里氏硬度檢測(cè)的原理,從一個(gè)全新的視角分析了P9 鋼低硬度管件HLD 存在偏差的 在原因,以便于對(duì)里氏硬度值有 個(gè)正確的認(rèn)識(shí) 找出修正的思路。
1 試驗(yàn)方法與結(jié)果
1.1 試樣
以來自于不同電廠的低硬度的鋼管件及正常硬度 P91 P22 , 12Cr1Mo 管件作為試驗(yàn)對(duì)象,管件參數(shù)及硬度范圍見表 1.
1.2 硬度對(duì)比試驗(yàn)
在不同管件上的不同硬度區(qū)域用線切割方式切 取質(zhì)量超過 kg 的條狀試樣 厚度均超 20 mm. 依據(jù) /T 7394 1998 << 金屬里氏硬度試驗(yàn) 方法)7.9 歉,在同 試樣 個(gè)區(qū)域進(jìn)行布氏硬 度及里氏硬度試驗(yàn),如圖 所示 試驗(yàn)結(jié)束后將 15HBHLD 值的平均值與 個(gè)布氏硬度的平均值作為一組對(duì)應(yīng) 。重復(fù)以上 試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果匯總后見表2
1.3 力學(xué)性能試驗(yàn)
為了分析 HBHL HBW 值存在偏差的內(nèi)在原因,選取硬度均勻的條狀試樣進(jìn)行力學(xué)性能試 驗(yàn),測(cè)試試樣的彈性極限、彈性模量及抗拉強(qiáng)度等性 能指標(biāo) 試樣為 ~lO mm 標(biāo)準(zhǔn) 倍圓形橫截面 試樣,彈性極限以產(chǎn)生 0.01 塑性應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力來 表示,代表產(chǎn)生微量屈服時(shí)的強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果見 ,表中還列出了根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得到的 LD 值偏差及屈強(qiáng)比數(shù)據(jù)
2 分析與討論
2.1 里氏砸度檢測(cè)的原理里氏硬度檢測(cè)是 動(dòng)載荷試驗(yàn)方法,如圖2
所示,其原理是通過加載彈簧將 定質(zhì)量和直徑的 碳化鴿球彈出并撞擊工件表面,通過電傳感器測(cè)量 距試樣表面 處球的回彈速度與沖擊速度 值來表征硬度的高低 回跳法硬度值主要表征金屬?gòu)椥宰冃喂Φ拇? [Z〕. 該觀點(diǎn)可以用圖 來解釋,碳化鴿球的沖擊 (G 部分轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃喂?(G 被試樣吸收, 部分轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥宰冃喂?(G 儲(chǔ)存在試樣中,當(dāng) 彈性變形恢復(fù)時(shí) 能量被釋放,使碳 鴿球回彈[31 而里氏硬度值與回彈速度成正比,因此里氏硬度值 取決于彈性變形功的大小彈性變形功又稱彈性比功(G 以應(yīng)力-應(yīng)變曲 線上彈性變形階段的面積來表示〈圖的,其大小決 定于彈性模量和彈性極限.
2.2 Ill.. 值向 HB 值轉(zhuǎn)換的偏整 BHLD 值是硬度 LD 值自動(dòng)換 算后的布氏硬度值,檢測(cè)時(shí)已基本消除 試樣表面 狀況及環(huán)境引起的測(cè)量誤差,但 與臺(tái)式 布氏硬度計(jì)的測(cè)試值仍有較大偏差。如表 所示, 管件 LD 值最大偏差達(dá)到一 13% ,其他低 硬度 P91 鋼管件的偏差也超過 %.綜上所述, BHLD 值存在偏差為硬度計(jì)換算 關(guān)系不準(zhǔn)確所致 進(jìn)口里氏硬度計(jì)應(yīng)用的是瑞士版 換算關(guān)系,該儀器對(duì)鋼鐵材料僅有兩條換算曲線 驗(yàn)人員通常使用的是"鋼及鑄鋼"的換算曲線 因此 在對(duì)低
2.3 彈性模 m皿 值存在偏擎的影響 里氏硬度值大小取決于彈性模量和彈性極限, 彈性極限表示材料對(duì)微量塑性變形的抗力 是一 個(gè)強(qiáng)度指標(biāo),因此里氏硬度值只有在彈性模量相同 的材料試驗(yàn)時(shí)才能互相比較大小;同理,在將其轉(zhuǎn)換 為布氏硬度值時(shí),不同彈性模量的材料具有不同的 換算關(guān)系 所示的數(shù)據(jù)來自于 GB 17394 1998 列舉了幾種不同彈性模量金屬材料 HLD 值的對(duì)應(yīng)關(guān)系,可見彈性模量越大,相同的 LD 值轉(zhuǎn)換的 值也越大
對(duì)于鋼鐵材料,合金化、熱處理(顯微組織〉、冷 塑性變形對(duì)彈性模量的影響較小,表 所示的 91 鋼管件的彈性模最略高于 P22 12CrlMoVG 管件 差別不足以導(dǎo)致 BHLD 值出現(xiàn)如此大的 偏差;另外 管件的彈性模量與 zz 管件的彈性 模量接近,但其 HBHLD 偏差卻很大 (ZZ 管件的 LD 元明顯偏差 綜上所述,合金含量高的 P91 鋼管件的彈性模量略高于低合金鋼的彈性模量 不是造成 HBHLD 值存在偏差的主要原因.
2.4 屈強(qiáng)比對(duì)皿皿 值存在偏差的影 在彈性模量不變的前提下,回跳式硬度值表 材料對(duì)微量塑性變形的抗力,而壓人式硬度值表征 材料大量塑性變形抗力及應(yīng)變硬化能力【泊 ,它們?cè)? 真應(yīng)力 真應(yīng)變曲線上對(duì)應(yīng)的位置見圖 5. 因此里 氏硬度向布氏硬度轉(zhuǎn)換時(shí),還需要考慮 忱。 Rm 之間的差距 這個(gè)差距的大小可以用兩者的比值來 表示,即屈強(qiáng)比 不難理解 當(dāng)屈強(qiáng)比低于某特定范 圍(硬度計(jì)換算關(guān)系所對(duì)應(yīng)的范圍〉時(shí) R 民o. Rm 之間差距過大 其實(shí)際 BW 值就會(huì)大于換算得到HBHLD 值,即 HBHLD 值出現(xiàn)負(fù)偏差 同理,高 于此范圍時(shí), HBHLD 值出現(xiàn)正偏差.
中的 HBHLD 值偏差與屈強(qiáng)比數(shù)據(jù)可以 驗(yàn)證上述觀點(diǎn).如圖 所示,對(duì)于P9 銅管件,隨 著屈強(qiáng)比的升高, HBHLD 值的負(fù)偏差越來越小;當(dāng) 屈強(qiáng)比高于 .6 --0.7 以后, HBHLD 值變?yōu)檎? 對(duì)于低合金鋼管件有相似規(guī)律 司飛 10 s 0 g -5 - 10 屈強(qiáng)比與 HBHLD 值偏愛對(duì)應(yīng)關(guān)系 Fig.6 The relationgship betw yield rario and the deviation of HBHLD 2.5 HBHLD 值存在偏擎的原因分析 屈強(qiáng)比與塑性、形變硬化指數(shù)及靜力韌度等參 數(shù)均沒有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系 ,從表 可知,對(duì)于P9 鋼管件,屈服強(qiáng)度 越高,屈強(qiáng)比越高,其 HBHLD 值負(fù)偏差越小,因此可以從P9 鋼的強(qiáng)化 理論方面來分析 HBHLD 值存在負(fù)偏差的原因. 影響低碳鋼屈強(qiáng)比的主要顯徽因素為強(qiáng)化機(jī) 制,其中位錯(cuò)強(qiáng)化及間隙固溶強(qiáng)化(即碳、氮的固溶 強(qiáng)化 對(duì)屈強(qiáng)比的影響最大,能在不提高抗拉強(qiáng)度的 情況下提高屈服強(qiáng)度,細(xì)晶強(qiáng)化及沉淀強(qiáng)化的影響次之 s). P9 鋼的正常顯徽組織應(yīng)為細(xì)的回 火板條馬氏體 馬氏體板條在高溫回火時(shí)并不發(fā)生 板條解體的再結(jié)晶,而是只發(fā)生高溫回復(fù);其主要強(qiáng) 化機(jī)制為位錯(cuò)強(qiáng)化及固溶強(qiáng)化 P9 銅管件硬度 的降低通常伴隨著馬氏體板條的消失和碳化物的析 出聚集,屈強(qiáng)比因位錯(cuò)強(qiáng)化及國(guó)榕強(qiáng)化效果的削弱 而降低,當(dāng)?shù)陀谀硞€(gè)特定值后, HBHLD 值就會(huì)出現(xiàn) 負(fù)偏差.
3 結(jié)論
(1)低硬度P9 鋼管件在里氏硬度檢測(cè)時(shí),在 消除外部因素導(dǎo)致的測(cè)量誤差后,其布 氏硬度轉(zhuǎn)換 HBHLD 與實(shí)測(cè)布氏硬度相比,仍會(huì)存在較大的 負(fù)偏差 (2) 合金含量高的P9 銅管件的彈性模量略高 于低合金鋼的彈性模量,不是造成其 HBHLD 值存 在偏差的主要原因 (3) 低硬度P9 鋼管件因其馬氏體板條消失和 碳化物析出導(dǎo)致位錯(cuò)強(qiáng)化及團(tuán)溶強(qiáng)化效果的減弱, 進(jìn)而致使其屈強(qiáng)比降低,這是 HBHLD 值出現(xiàn)負(fù)偏 差的主要原因 (4 材料屈強(qiáng)比在某特定范圍內(nèi)時(shí), HBHLD 值相對(duì)準(zhǔn)確,偏離這個(gè)范圍則會(huì)產(chǎn)生較大偏差,可以 從影響屈強(qiáng)比的顯微因素來考慮如何對(duì) HBHLD 值進(jìn)行修正。
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<低硬度P91 鋼管件布氏硬度轉(zhuǎn)換值存在偏差原因分析>
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