摘要:以不同硬度的P91鋼管件和低合金鋼管件作為研究對象,在消除外~因素(試樣溫度、 剛性、質量及表面狀況等)導致的誤差后,通過硬度對比試驗發現,相對于真實布氏硬度佳,低硬度 P9 銅管件的布氏硬度轉換值 (HB LD) 仍然存在較大負偏差。根據力學性能試驗結果,結合里 氏硬度檢測原理及強化理論,分析了 HBHLD 值產生偏差的內在原因.結果表明 P91 鋼管件硬 度的降低伴隨著固溶強化及位錯強化效果的減弱,致使屈強比降低,是導致其 HBHLD 值出現負 偏差的主要原因;彈性模量的微小變化對其影響不大 關鍵 P91 鋼管;里氏硬度;布氏硬度轉換值;屈強比;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
里氏硬度檢測為回彈式硬度檢測方法的 種, 便攜式里氏硬度計解決了其他方法難以勝任的對不 易移動的大型工件和不易拆卸的大型部件及構件的 檢驗問題,具有操作快速簡便、非破壞性等優點,已 廣泛應用于電站合金鋼管道的硬度檢測工作 由于P9 鋼在高溫下具有良好的抗氧化性和組 織穩定性,已被廣泛應用于亞臨界、超臨界機組的鍋 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P9 鋼管件硬度偏低、組織異常的問 題,嚴重影響其使用壽命及安全性.現有的國內外標 準規定了四 鋼管件的莊人式硬度值范圍,例如 L/ T 438 ∞現火力發電廠金屬技術監督規程 附錄 對內 鋼管件硬度的推薦值為 180........250 面。為了 便于質量驗收,通常使用便攜式里氏硬度計進行硬度 檢測 然后利用儀器自帶的換算功能將其轉換為壓人 式硬度 。例如 型探頭的里氏硬度值以 LD 示,由其轉換的布氏硬度值以 HB LD 示. 里氏硬度計的測試誤差與測試部位的表面粗糙度、污物、 率半徑、表面溫度、振動等因素有關[口在消除這些影響因素后,通過對比試驗發現低硬度 件的 HBHLD 值仍普遍低于臺式 氏硬度計所測的 。筆者通過對不同類型管件的硬度對比試驗及力學性能試驗 基于里氏硬度檢測的原理,從一個全新的視角分析了P9 鋼低硬度管件HLD 存在偏差的 在原因,以便于對里氏硬度值有 個正確的認識 找出修正的思路。
1 試驗方法與結果
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 管件作為試驗對象,管件參數及硬度范圍見表 1.
1.2 硬度對比試驗
在不同管件上的不同硬度區域用線切割方式切 取質量超過 kg 的條狀試樣 厚度均超 20 mm. 依據 /T 7394 1998 << 金屬里氏硬度試驗 方法)7.9 歉,在同 試樣 個區域進行布氏硬 度及里氏硬度試驗,如圖 所示 試驗結束后將 15HBHLD 值的平均值與 個布氏硬度的平均值作為一組對應 。重復以上 試驗,試驗結果匯總后見表2
1.3 力學性能試驗
為了分析 HBHL HBW 值存在偏差的內在原因,選取硬度均勻的條狀試樣進行力學性能試 驗,測試試樣的彈性極限、彈性模量及抗拉強度等性 能指標 試樣為 ~lO mm 標準 倍圓形橫截面 試樣,彈性極限以產生 0.01 塑性應變時的應力來 表示,代表產生微量屈服時的強度。試驗結果見 ,表中還列出了根據試驗結果計算得到的 LD 值偏差及屈強比數據
2 分析與討論
2.1 里氏砸度檢測的原理里氏硬度檢測是 動載荷試驗方法,如圖2
所示,其原理是通過加載彈簧將 定質量和直徑的 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彈性變形功的大 [Z〕. 該觀點可以用圖 來解釋,碳化鴿球的沖擊 (G 部分轉變為塑性變形功 (G 被試樣吸收, 部分轉變為彈性變形功 (G 儲存在試樣中,當 彈性變形恢復時 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 以應力-應變曲 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 值轉換的偏整 BHLD 值是硬度 LD 值自動換 算后的布氏硬度值,檢測時已基本消除 試樣表面 狀況及環境引起的測量誤差,但 與臺式 布氏硬度計的測試值仍有較大偏差。如表 所示, 管件 LD 值最大偏差達到一 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換算 關系不準確所致 進口里氏硬度計應用的是瑞士版 換算關系,該儀器對鋼鐵材料僅有兩條換算曲線 驗人員通常使用的是"鋼及鑄鋼"的換算曲線 因此 在對低
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微量塑性變形的抗力 是一 個強度指標,因此里氏硬度值只有在彈性模量相同 的材料試驗時才能互相比較大小;同理,在將其轉換 為布氏硬度值時,不同彈性模量的材料具有不同的 換算關系 所示的數據來自于 GB 17394 1998 列舉了幾種不同彈性模量金屬材料 HLD 值的對應關系,可見彈性模量越大,相同的 LD 值轉換的 值也越大
對于鋼鐵材料,合金化、熱處理(顯微組織〉、冷 塑性變形對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 差別不足以導致 BHLD 值出現如此大的 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 屈強比對皿皿 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變硬化能力【泊 ,它們在 真應力 真應變曲線上對應的位置見圖 5. 因此里 氏硬度向布氏硬度轉換時,還需要考慮 忱。 Rm 之間的差距 這個差距的大小可以用兩者的比值來 表示,即屈強比 不難理解 當屈強比低于某特定范 圍(硬度計換算關系所對應的范圍〉時 R 民o. Rm 之間差距過大 其實際 BW 值就會大于換算得到HBHLD 值,即 HBHLD 值出現負偏差 同理,高 于此范圍時, HBHLD 值出現正偏差.
中的 HBHLD 值偏差與屈強比數據可以 驗證上述觀點.如圖 所示,對于P9 銅管件,隨 著屈強比的升高, HBHLD 值的負偏差越來越小;當 屈強比高于 .6 --0.7 以后, HBHLD 值變為正偏差; 對于低合金鋼管件有相似規律 司飛 10 s 0 g -5 - 10 屈強比與 HBHLD 值偏愛對應關系 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 屈強比與塑性、形變硬化指數及靜力韌度等參 數均沒有明顯的對應關系 ,從表 可知,對于P9 鋼管件,屈服強度 越高,屈強比越高,其 HBHLD 值負偏差越小,因此可以從P9 鋼的強化 理論方面來分析 HBHLD 值存在負偏差的原因. 影響低碳鋼屈強比的主要顯徽因素為強化機 制,其中位錯強化及間隙固溶強化(即碳、氮的固溶 強化 對屈強比的影響最大,能在不提高抗拉強度的 情況下提高屈服強度,細晶強化及沉淀強化的影響次之 s). P9 鋼的正常顯徽組織應為細的回 火板條馬氏體 馬氏體板條在高溫回火時并不發生 板條解體的再結晶,而是只發生高溫回復;其主要強 化機制為位錯強化及固溶強化 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,屈強比因位錯強化及國榕強化效果的削弱 而降低,當低于某個特定值后, HBHLD 值就會出現 負偏差.
3 結論
(1)低硬度P9 鋼管件在里氏硬度檢測時,在 消除外部因素導致的測量誤差后,其布 氏硬度轉換 HBHLD 與實測布氏硬度相比,仍會存在較大的 負偏差 (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 碳化物析出導致位錯強化及團溶強化效果的減弱, 進而致使其屈強比降低,這是 HBHLD 值出現負偏 差的主要原因 (4 材料屈強比在某特定范圍內時, HBHLD 值相對準確,偏離這個范圍則會產生較大偏差,可以 從影響屈強比的顯微因素來考慮如何對 HBHLD 值進行修正。
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