基于里氏硬度测量的P92钢及焊缝布氏硬度的计算

GXF360 2017-08-22

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基于里氏硬度测量的P92钢及焊缝布氏硬度的计算

王　涛1,2，　荆洪阳1,2，　徐连勇1,2，　韩永典1,2，　李　蒙1,2

(1. 天津大学材料科学与工程学院，天津　300072; 2. 天津市现代连接技术重点试验室，天津　300072)

摘　要：为了解决电厂实际硬度测量不准而导致的不适当的修理和更换的问题，采用不同的热处理条件和回火条件分别模拟母材和焊缝的不同硬度状态，并利用一系列硬度对比试验得到P92钢母材和焊缝的里氏硬度和布氏硬度正确的转换关系. 结果表明,P92钢母材和焊缝的直读布氏硬度值均比真实布氏硬度值要低，利用文中得到的正确的硬度转换关系，能准确的检测出P92钢母材和焊缝服役过程中的布氏硬度.

关键词：P92钢；热处理；里氏硬度；布氏硬度

中图分类号：TG407

文献标识码：A

文章编号：0253-360X(2016)09-0087-04

0　序　　言

P92钢在高温下具有良好的高温强度和高温抗氧化性能，目前广泛应用于超(超)超临界燃煤机组的主蒸气管道、再热蒸气管道和高温集箱等部件[1-3]，在电厂检修维护中经常发现服役的P92钢母材硬度降低，焊缝硬度升高的现象[4,5]，严重影响其使用安全性.

金属材料的布氏硬度和强度之间具有正相关性，根据硬度可以估算材料的强度. 国际标准ISO18265:2013《金属材料硬度值的换算》和国家标准GB/T 1172—1999《黑色金属硬度和强度换算》列表表明了不同钢种的强度和布氏硬度换算关系. 而实际情况中很难使用布氏硬度计进行测量. 便携式里氏硬度计，可以解决不易移动的大型工件和不易拆卸的大型部件及构件的硬度检验问题，具有操作快速简便、非破坏性等优点，已被广泛应用于电站合金钢管道的硬度检测工作. 布氏硬度值可以通过里氏硬度和布氏硬度的转换关系直接读取. 然而镶嵌在里氏硬度计里的硬度转换关系仅仅局限于一些常用的传统材料，如碳钢、低合金钢和铸钢，对于新型耐热钢P92钢不太适用，导致不适当的修理和更换. 目前对P92钢的研究主要集中在高温蠕变特性、服役寿命评估、析出相的演变阶段,优化热处理过程等等[6-8]，对P92钢母材和焊缝里氏硬度与布氏硬度的转换关系进行研究.

为此文中通过热处理方法制备了不同硬度的母材和焊缝，并进行不同硬度下的母材和焊缝的硬度对比试验，获得了P92钢母材和焊缝的里氏硬度和布氏硬度的转换关系.

1　试验方法

1.1　焊接方法

试验材料采用直径245 mm，厚度45 mm的P92钢管. P92钢的化学成分如表1所示.

表1　P92钢的化学成分(质量分数，%)

Table 1　Chemical compositions of P92 steel

CCrWMoNbVBSiMnNiFe0.118.561.680.350.0660.210.0020.260.450.16余量

P92钢供货状态是回火马氏体. P92钢焊接采用2G横焊，坡口为V形，如图1所示. 焊接材料选用MTS616，焊接工艺参数如表2所示，采用钨极氩弧焊(GTAW)打底，焊条电弧焊(SMAW)填充、盖面. 焊接实际过程是：首先管内充氩气保护，预热温度150 ℃，预热30 min；采用TIG焊进行2层打底；打底后，预热温度升温至200 ℃后使用焊条电弧焊填充和盖面(注意每层焊完后用磨光机清理焊渣和飞溅物等)；焊后焊接接头缓冷至80～100 ℃，保温2 h，充分发生马氏体相变；再升温至350 ℃，保温2 h进行消氢.

图1　焊接接头坡口形式(mm)

Fig.1　Dimension and size of groove for welded joint

表2　焊接工艺参数

Table 2　Welding parameters

焊层道号焊接方法焊条(丝)型号焊接电流I/A电弧电压U/V焊接速度v/(mm·min-1)打底1～2GTAWMTS616ϕ2.4mm110～12511～1450/80填充3～4SMAWMTS616ϕ2.5mm85～10020～24140/160填充5～13SMAWMTS616ϕ3.2mm110～13020～24120/180盖面层14SMAWMTS616ϕ3.2mm105～12520～24130/180

1.2　硬度模拟试验

采用型号为STA449F3-VERTEX70的高温淬火相变仪，测试了所选用的P92母材的相变点Ac1和Ac3分别为815.3 ℃和893.2 ℃，并据此设计了硬度模拟试验.

为了获得材料不同的硬度值，标准样本在1 050 ℃下保温1 h，为了重结晶以达到完全奥氏体化和熔解现有的析出相. 接着通过不同的热处理工艺和回火工艺模拟母材和焊缝不同的硬度值. 母材热处理温度710～850 ℃，保温时间1～8 h. 随着回火温度的提高和保温时间的增加，焊缝的硬度值降低. 焊缝的回火温度710～810 ℃，保温时间1～4 h.

1.3　硬度对比试验

硬度对比试验包含里氏硬度测量和相应的布氏硬度测量. 依据国家标准GB/T 231.1—2009《金属布氏硬度测试试验第1部分：测试方法》和GB/T17394.1—2014《金属材料里氏硬度测试试验第1部分：测试方法》分别测量试样的布氏硬度和里氏硬度. 布氏硬度采用HBZ-3000A硬度计测量，每个试样测量三个点布氏硬度，然后取平均值. 里氏硬度及直读布氏硬度选用的里氏硬度计为HT-1000A获得，每个试样围绕布氏硬度计测量点周围取五个点进行测量，然后取平均值.

布氏硬度和里氏硬度的测量都要注意试样的表面粗糙度，布氏硬度试验力加载速率不能过快，过快会导致硬度偏高，试验力保持时间不能过长或者过短，过长会使测量硬度偏低，过短会使硬度偏高. 在试验操作过程中，因为在压痕周围变形产生的硬化区会导致第二个压痕变形受到阻碍，导致硬度值偏差，应注意试样任意两相邻的压痕之间以及压痕距试样边缘保持一定的间距，间距大小依据国家标准GB/T 231.1—2009《金属布氏硬度测试试验第1部分：测试方法》和GB/T17394.1—2014《金属材料里氏硬度测试试验第1部分：测试方法》.

2　试验结果分析

2.1　母材的硬度转换关系

母材不同热处理工艺下的里氏硬度值、直读布氏硬度值、真实布氏硬度值如表3所示. 从表3中可以看出，随着热处理温度的提高和保温时间的增加，布氏硬度逐渐降低.

表3　母材不同热处理工艺下的里氏硬度值、直读布氏硬度值、真实布氏硬度值

Table 3　Leeb hardness, direct Brinell hardness and corresponding actual Brinell hardness in different heat-treatment condition for base material

热处理里氏硬度H1(HLD)直读布氏硬度H2(HB)真实布氏硬度H3(HB)母材467.8191.2222850℃～4h392.3134.2164.7850℃～8h391.7133.7161.3830℃～1h427158.8192.7830℃～4h416.6151.3179.7830℃～8h393.2134.9165.3830℃～40h396.9137.3164.7810℃～1h437.3166.7198.3810℃～4h429.7160.9196810℃～8h436.7166.1193.3810℃～20h428.2159.9186.3810℃～40h421.9155.2181.7790℃～1h445.3172.9205.3790℃～4h443.5171.5204.3790℃～8h432.5163.1194.3760℃～1h470.7193.5225760℃～4h450.9177.4206.3760℃～8h438.8167.7199730℃～1h504.9224252.3730℃～2h491.5212241.7730℃～3h489.6210.2237.3730℃～4h487.7208.6234.7710℃～1h509.9228.9255.3

图2显示了从布氏硬度计上读取的真实布氏硬度和从里氏硬度计上读取的相应的直读布氏硬度. 实线拟合线代表着对应相应里氏硬度的真实布氏硬度，而虚线拟合线代表着对应相应里氏硬度的直读布氏硬度；可以发现直读布氏硬度要比真实布氏硬度要低，且两条拟合线近似平行. 则P92钢母材里氏硬度和布氏硬度正确的转换关系为

Hb=0.79H1-145.85

(1)

图2　P92母材硬度对比试验结果

Fig.2　Hardness comparison for P92 base material

2.2　焊缝的硬度转换关系

焊缝不同回火工艺下的里氏硬度值、直读布氏硬度值和真实布氏硬度值如表4所示.

表4　焊缝不同热处理工艺下的里氏硬度值、直读布氏硬度值、真实布氏硬度值

Table 4　Leeb hardness, direct Brinell hardness and the corresponding actual Brinell hardness in different tempering condition of the weld of P92 steel

回火里氏硬度H1(HLD)直读布氏硬度H2(HB)真实布氏硬度H3(HB)710℃～1h558.8278.5315.7710℃～2h564.9285.1310.3710℃～4h544.1263.1292710℃～8h520.9239.9261.3730℃～1h530.7249.7281730℃～2h525.1244.1267.3730℃～2.5h513.4232.5261.7730℃～4h519.5241.2260.7760℃～1h504.9224.1253790℃～1h490.5211228.3810℃～1h459.1183.8218.7810℃～4h451.5178.9203.7

图3显示了焊缝从布氏硬度计上读取的真实布氏硬度和从里氏硬度计上读取的相应的直读布氏硬度. 实线拟合线代表着对应相应里氏硬度的真实布氏硬度，而虚线拟合线代表着对应相应里氏硬度的直读布氏硬度.

图3　焊缝硬度对比试验结果

Fig.3　Results of hardness comparison test of weld

通过图3能得出直读布氏硬度要比真实布氏硬度要低. 通过文中一系列的试验得到了P92钢焊缝里氏硬度和布氏硬度正确的转换关系为

Hb=0.96H1-233.20

(2)

2.3　试验结果分析

由试验结果可知，P92钢母材和焊缝的直读布氏硬度值均比真实布氏硬度值低. 里氏硬度的检测原理是使用一个拥有恒定能量的冲击体冲击试样，测量冲击体回弹时的残余能量，用这个残余能量的大小来表征硬度的高低. 而残余能量的大小等于冲击体初始总能量减去消耗能，消耗能分为弹性变形功和塑性变形功. 而布氏硬度是一种静态测量方法，通过恒定静载卸载后的压痕大小来表征硬度高低，主要与试样的塑性有关. 国家标准GB/T17394.4—2014《金属材料里氏硬度试验第4部分：硬度值换算表》中明确规定里氏硬度计里里氏硬度和布氏硬度的换算关系所适用的测试对象为“碳钢、低合金钢和铸钢”，它们的弹性模拟大约为210 GPa，而P92钢属于高合金耐热钢，它的弹性模量大约只有190 GPa. 当利用原有的针对碳钢的转换关系转换时，默认把P92钢弹性模量按210 GPa计算，导致弹性变形功偏大，而总消耗能一定，则其塑性变形功偏小，即塑性变形区尺寸偏小. 因此如果将P92钢当作碳钢处理，即按照弹性模量210 GPa计算，获得的布氏硬度偏低.

3　结　　论

(1) 里氏硬度计里的里氏硬度和布氏硬度的换算关系所适用的测试对象为“碳钢、低合金钢和铸钢”，它们的弹性模拟大约为210 GPa，而P92属于高合金耐热钢，它的弹性模量大约只有190 GPa，这样就导致了通过里氏硬度计测量出偏低的直读布氏硬度值.

(2) P92钢母材和焊缝的直读布氏硬度值均比真实布氏硬度值要低，通过正确的公式可以实现现场P92管道母材和焊缝准确的硬度测量，为电厂检修提供可靠的指导，保证发电机组安全运行. 转换公式为母材：Hb=0.79H1-145.85;焊缝：Hb=0.96H1-233.20.

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