摘要:以不同硬度的P91钢管件和低合金钢管件作为研究对象,在消除外~因素(试样温度、 刚性、质量及表面状况等)导致的误差后,通过硬度对比试验发现,相对于真实布氏硬度佳,低硬度 P9 铜管件的布氏硬度转换值 (HB LD) 仍然存在较大负偏差。根据力学性能试验结果,结合里 氏硬度检测原理及强化理论,分析了 HBHLD 值产生偏差的内在原因.结果表明 P91 钢管件硬 度的降低伴随着固溶强化及位错强化效果的减弱,致使屈强比降低,是导致其 HBHLD 值出现负 偏差的主要原因;弹性模量的微小变化对其影响不大 关键 P91 钢管;里氏硬度;布氏硬度转换值;屈强比;弹性模量.
Abstract: The P91 steel pipes and lôw 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
里氏硬度检测为回弹式硬度检测方法的 种, 便携式里氏硬度计解决了其他方法难以胜任的对不 易移动的大型工件和不易拆卸的大型部件及构件的 检验问题,具有操作快速简便、非破坏性等优点,已 广泛应用于电站合金钢管道的硬度检测工作 由于P9 钢在高温下具有良好的抗氧化性和组 织稳定性,已被广泛应用于亚临界、超临界机组的锅 炉高温集箱、主蒸汽管道及再热蒸汽热段管道。但近年来频频出现P9 钢管件硬度偏低、组织异常的问 题,严重影响其使用寿命及安全性.现有的国内外标 准规定了四 钢管件的庄人式硬度值范围,例如 L/ T 438 ∞现火力发电厂金属技术监督规程 附录 对内 钢管件硬度的推荐值为 180........250 面。为了 便于质量验收,通常使用便携式里氏硬度计进行硬度 检测 然后利用仪器自带的换算功能将其转换为压人 式硬度 。例如 型探头的里氏硬度值以 LD 示,由其转换的布氏硬度值以 HB LD 示. 里氏硬度计的测试误差与测试部位的表面粗糙度、污物、 率半径、表面温度、振动等因素有关[口在消除这些影响因素后,通过对比试验发现低硬度 件的 HBHLD 值仍普遍低于台式 氏硬度计所测的 。笔者通过对不同类型管件的硬度对比试验及力学性能试验 基于里氏硬度检测的原理,从一个全新的视角分析了P9 钢低硬度管件HLD 存在偏差的 在原因,以便于对里氏硬度值有 个正确的认识 找出修正的思路。
1 试验方法与结果
1.1 试样
以来自于不同电厂的低硬度的钢管件及正常硬度 P91 P22 , 12Cr1Mo 管件作为试验对象,管件参数及硬度范围见表 1.
1.2 硬度对比试验
在不同管件上的不同硬度区域用线切割方式切 取质量超过 kg 的条状试样 厚度均超 20 mm. 依据 /T 7394 1998 << 金属里氏硬度试验 方法)7.9 歉,在同 试样 个区域进行布氏硬 度及里氏硬度试验,如图 所示 试验结束后将 15HBHLD 值的平均值与 个布氏硬度的平均值作为一组对应 。重复以上 试验,试验结果汇总后见表2
1.3 力学性能试验
为了分析 HBHL HBW 值存在偏差的内在原因,选取硬度均匀的条状试样进行力学性能试 验,测试试样的弹性极限、弹性模量及抗拉强度等性 能指标 试样为 ~lO mm 标准 倍圆形横截面 试样,弹性极限以产生 0.01 塑性应变时的应力来 表示,代表产生微量屈服时的强度。试验结果见 ,表中还列出了根据试验结果计算得到的 LD 值偏差及屈强比数据
2 分析与讨论
2.1 里氏砸度检测的原理里氏硬度检测是 动载荷试验方法,如图2
所示,其原理是通过加载弹簧将 定质量和直径的 碳化鸽球弹出并撞击工件表面,通过电传感器测量 距试样表面 处球的回弹速度与冲击速度 值来表征硬度的高低 回跳法硬度值主要表征金属弹性变形功的大 [Z〕. 该观点可以用图 来解释,碳化鸽球的冲击 (G 部分转变为塑性变形功 (G 被试样吸收, 部分转变为弹性变形功 (G 储存在试样中,当 弹性变形恢复时 能量被释放,使碳 鸽球回弹[31 而里氏硬度值与回弹速度成正比,因此里氏硬度值 取决于弹性变形功的大小弹性变形功又称弹性比功(G 以应力-应变曲 线上弹性变形阶段的面积来表示〈图的,其大小决 定于弹性模量和弹性极限.
2.2 Ill.. 值向 HB 值转换的偏整 BHLD 值是硬度 LD 值自动换 算后的布氏硬度值,检测时已基本消除 试样表面 状况及环境引起的测量误差,但 与台式 布氏硬度计的测试值仍有较大偏差。如表 所示, 管件 LD 值最大偏差达到一 13% ,其他低 硬度 P91 钢管件的偏差也超过 %.综上所述, BHLD 值存在偏差为硬度计换算 关系不准确所致 进口里氏硬度计应用的是瑞士版 换算关系,该仪器对钢铁材料仅有两条换算曲线 验人员通常使用的是"钢及铸钢"的换算曲线 因此 在对低
2.3 弹性模 m皿 值存在偏擎的影响 里氏硬度值大小取决于弹性模量和弹性极限, 弹性极限表示材料对微量塑性变形的抗力 是一 个强度指标,因此里氏硬度值只有在弹性模量相同 的材料试验时才能互相比较大小;同理,在将其转换 为布氏硬度值时,不同弹性模量的材料具有不同的 换算关系 所示的数据来自于 GB 17394 1998 列举了几种不同弹性模量金属材料 HLD 值的对应关系,可见弹性模量越大,相同的 LD 值转换的 值也越大
对于钢铁材料,合金化、热处理(显微组织〉、冷 塑性变形对弹性模量的影响较小,表 所示的 91 钢管件的弹性模最略高于 P22 12CrlMoVG 管件 差别不足以导致 BHLD 值出现如此大的 偏差;另外 管件的弹性模量与 zz 管件的弹性 模量接近,但其 HBHLD 偏差却很大 (ZZ 管件的 LD 元明显偏差 综上所述,合金含量高的 P91 钢管件的弹性模量略高于低合金钢的弹性模量 不是造成 HBHLD 值存在偏差的主要原因.
2.4 屈强比对皿皿 值存在偏差的影 在弹性模量不变的前提下,回跳式硬度值表 材料对微量塑性变形的抗力,而压人式硬度值表征 材料大量塑性变形抗力及应变硬化能力【泊 ,它们在 真应力 真应变曲线上对应的位置见图 5. 因此里 氏硬度向布氏硬度转换时,还需要考虑 忱。 Rm 之间的差距 这个差距的大小可以用两者的比值来 表示,即屈强比 不难理解 当屈强比低于某特定范 围(硬度计换算关系所对应的范围〉时 R 民o. Rm 之间差距过大 其实际 BW 值就会大于换算得到HBHLD 值,即 HBHLD 值出现负偏差 同理,高 于此范围时, HBHLD 值出现正偏差.
中的 HBHLD 值偏差与屈强比数据可以 验证上述观点.如图 所示,对于P9 铜管件,随 着屈强比的升高, HBHLD 值的负偏差越来越小;当 屈强比高于 .6 --0.7 以后, HBHLD 值变为正偏差; 对于低合金钢管件有相似规律 司飞 10 s 0 g -5 - 10 屈强比与 HBHLD 值偏爱对应关系 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 屈强比与塑性、形变硬化指数及静力韧度等参 数均没有明显的对应关系 ,从表 可知,对于P9 钢管件,屈服强度 越高,屈强比越高,其 HBHLD 值负偏差越小,因此可以从P9 钢的强化 理论方面来分析 HBHLD 值存在负偏差的原因. 影响低碳钢屈强比的主要显徽因素为强化机 制,其中位错强化及间隙固溶强化(即碳、氮的固溶 强化 对屈强比的影响最大,能在不提高抗拉强度的 情况下提高屈服强度,细晶强化及沉淀强化的影响次之 s). P9 钢的正常显徽组织应为细的回 火板条马氏体 马氏体板条在高温回火时并不发生 板条解体的再结晶,而是只发生高温回复;其主要强 化机制为位错强化及固溶强化 P9 铜管件硬度 的降低通常伴随着马氏体板条的消失和碳化物的析 出聚集,屈强比因位错强化及国榕强化效果的削弱 而降低,当低于某个特定值后, HBHLD 值就会出现 负偏差.
3 结论
(1)低硬度P9 钢管件在里氏硬度检测时,在 消除外部因素导致的测量误差后,其布 氏硬度转换 HBHLD 与实测布氏硬度相比,仍会存在较大的 负偏差 (2) 合金含量高的P9 铜管件的弹性模量略高 于低合金钢的弹性模量,不是造成其 HBHLD 值存 在偏差的主要原因 (3) 低硬度P9 钢管件因其马氏体板条消失和 碳化物析出导致位错强化及团溶强化效果的减弱, 进而致使其屈强比降低,这是 HBHLD 值出现负偏 差的主要原因 (4 材料屈强比在某特定范围内时, HBHLD 值相对准确,偏离这个范围则会产生较大偏差,可以 从影响屈强比的显微因素来考虑如何对 HBHLD 值进行修正。
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