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P22鋼為2.25Cr-1Mo低合金鋼，具有較高的熱強(qiáng)性能，良好的抗氧化性、抗氫蝕能力和焊接性能，廣泛應(yīng)用于石油化工、核電及電站鍋爐等高溫設(shè)備中。在電站鍋爐實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中，過(guò)高的蒸汽溫度和蒸汽壓力對(duì)耐熱鋼提出了更高的要求。因此，對(duì)P22鋼進(jìn)行安全性能評(píng)定具有重要意義。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)P22鋼的研究多集中在焊接性能、壽命評(píng)估及熱處理工藝對(duì)其性能的影響方面。硬度檢測(cè)是電站鍋爐安全檢驗(yàn)中的一種常用評(píng)定手段。耐熱鋼的組織形態(tài)、殘余應(yīng)力以及加工工藝等都與硬度密切相關(guān)。提高硬度檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性對(duì)電站鍋爐的安全評(píng)定有重要作用。

 

DL/T 438—2009《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》和DL/T 869—2012《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定電站鍋爐用鋼硬度以布氏硬度值為標(biāo)準(zhǔn)，但在實(shí)際工況中，布氏硬度測(cè)試有一定的局限性，而里氏硬度計(jì)具有體積小、使用方法簡(jiǎn)單、便于攜帶、檢測(cè)效率高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)適用于測(cè)試大型、難以拆卸以及特殊部位的工件，在電站工程現(xiàn)場(chǎng)已被廣泛使用。然而將里氏硬度作為電站現(xiàn)場(chǎng)硬度檢測(cè)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)還不成熟，并且現(xiàn)有的GB/T 17394.4—2014《金屬材料 里氏硬度試驗(yàn) 第4部分：硬度值換算表》中換算關(guān)系并未對(duì)不同材料作詳細(xì)區(qū)分，P22鋼作為電站中常用的一種耐熱鋼，材料本身所固有的特性以及受環(huán)境影響改變會(huì)影響兩種硬度值之間的關(guān)系。因此，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)進(jìn)行硬度對(duì)比分析后再將里氏硬度轉(zhuǎn)換為布氏硬度，以確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

 

依據(jù)GB/T 17394.1—2014《金屬材料 里氏硬度試驗(yàn) 第一部分：試驗(yàn)方法》，對(duì)于特定材料，將里氏硬度較準(zhǔn)確地?fù)Q算為其他硬度，必須進(jìn)行硬度對(duì)比試驗(yàn)以得到相應(yīng)的換算關(guān)系。但目前對(duì)于里氏硬度與布氏硬度之間轉(zhuǎn)換關(guān)系的研究并不多，田永紅對(duì)球磨鑄鐵進(jìn)行了里氏硬度和布氏硬度對(duì)比分析，以回歸分析法得出了里氏與布氏硬度的換算關(guān)系為

 

式中：HBW為布氏硬度；HLD為里氏硬度。

 

此試驗(yàn)條件有一定局限性，硬度范圍不夠?qū)?221~249HBW)，因此，只有硬度在該范圍內(nèi)時(shí)，用回歸方程換算出來(lái)的硬度才較為理想。

 

王濤等采用不同熱處理方法對(duì)P92鋼進(jìn)行硬度對(duì)比試驗(yàn)，得到里氏硬度與布氏硬度的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

 

 

楊小敏等通過(guò)對(duì)42CrMo鑄鋼進(jìn)行淬火和回火熱處理測(cè)得其里氏硬度和布氏硬度，建立了兩種硬度的對(duì)應(yīng)關(guān)系為

 

 

以上研究建立了不同材料的里氏硬度與布氏硬度之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，對(duì)實(shí)際工作中硬度準(zhǔn)確的測(cè)量具有一定的指導(dǎo)意義，但硬度的分布范圍有一定的局限性。硬度分布不均勻、范圍不夠廣，超過(guò)該范圍的里氏硬度與布氏硬度的關(guān)系會(huì)有所不同，若采用統(tǒng)一的轉(zhuǎn)換關(guān)系又勢(shì)必會(huì)造成誤差，影響硬度檢測(cè)的準(zhǔn)確性。因此，來(lái)自廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院和廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院的張啟禮、金學(xué)峰、翟孟杰等研究人員采用頂端淬火和整體熱處理工藝對(duì)P22鋼進(jìn)行試驗(yàn)，以獲得分布范圍較寬的里氏與布氏硬度值，并建立P22鋼里氏硬度與布氏硬度的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

 

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

 

1.1 試樣制備

 

試驗(yàn)材料為P22鋼管，該次試驗(yàn)用P22鋼管的化學(xué)成分滿足ASTM A335/A335M-2018對(duì)P22鋼的成分要求。在P22鋼管上切取3根頂端淬火試樣圓棒和整體熱處理試樣，整體熱處理的試樣尺寸為65mm×30mm×20mm，頂端淬火試樣的尺寸如圖1所示。

 

圖1 頂端淬火試樣的尺寸示意圖

 

1.2 熱處理工藝

 

對(duì)試樣進(jìn)行頂端淬火，頂端淬火的加熱溫度為965℃，保溫時(shí)間40min，當(dāng)溫度達(dá)到965℃時(shí)將試樣放入馬弗爐，為防止試樣表面發(fā)生脫碳及氧化，將試樣放入石墨顆粒中，待溫度重新升至965℃時(shí)開(kāi)始保溫計(jì)時(shí)。保溫結(jié)束后，將試樣取出放置在頂端淬火設(shè)備上進(jìn)行頂端淬火，淬火時(shí)間為15min，噴水口的內(nèi)徑為12mm，試樣與噴水口的距離為 12.5mm，頂端淬火試驗(yàn)流程如圖2所示。

 

圖2 頂端淬火工藝流程圖

 

將整體熱處理試樣加熱至965℃，保溫40min后分別進(jìn)行正火、淬火、回火以及退火等熱處理，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了10種工藝，每種工藝3個(gè)試樣，具體工藝設(shè)計(jì)如表1所示。

 

表1 整體熱處理工藝設(shè)計(jì)

 

將頂端淬火后的圓棒試樣切成尺寸為100mm×17mm×17mm的長(zhǎng)方體，和整體熱處理試樣同在研磨拋光機(jī)上打磨拋光至試樣表面光滑平坦，使試樣表面達(dá)到GB/T 17394.1—2014和GB/T  231.1—2018《金屬材料 里氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》所要求的里氏和布氏硬度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

 

1.3 硬度測(cè)試

 

依據(jù)GB/T 231.1—2018，采用布洛維硬度計(jì)在試樣的表面測(cè)試硬度，使用φ2.5mm的硬質(zhì)合金壓頭，加載載荷1839N，保持時(shí)間10s。具體操作為，分別以測(cè)試點(diǎn)距離試樣邊緣3、4、5mm間隔和兩測(cè)試點(diǎn)之間距離3mm的間隔開(kāi)始測(cè)試布氏硬度，待硬度值變化不超過(guò)10HBW時(shí)增加測(cè)試間隔，同一水平位置取3個(gè)測(cè)試點(diǎn)，3個(gè)布氏硬度值的平均值作為最后的布氏硬度值。依據(jù)GB/T 17394.1—2014，試樣的質(zhì)量小于試驗(yàn)允許的最小質(zhì)量時(shí)，需要根據(jù)試驗(yàn)要求對(duì)試樣進(jìn)行剛性支承并耦合到載物臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)，具體操作為：借助凡士林作為耦合劑將試樣耦合到高8cm、質(zhì)量為5kg、表面粗糙度為50nm的載物臺(tái)上，使用里氏硬度計(jì)在布氏硬度測(cè)試面的相鄰面進(jìn)行對(duì)應(yīng)點(diǎn)的里氏硬度測(cè)試，頂端淬火試樣的硬度測(cè)試示意圖如圖3所示。

 

 

圖3 頂端淬火試樣硬度測(cè)試示意圖

 

在整體熱處理試樣上選取5個(gè)區(qū)域的中心部位測(cè)試布氏硬度值，在布氏硬度壓痕周?chē)鶆蚍植嫉?個(gè)位置測(cè)試?yán)锸嫌捕?，如圖4所示。測(cè)試結(jié)束后將5個(gè)布氏硬度的平均值與25個(gè)里氏硬度的平均值作為一組對(duì)應(yīng)值。

 

 

圖4 整體熱處理試樣硬度測(cè)試示意圖

 

待完成硬度測(cè)試后，對(duì)試樣進(jìn)行切割、打磨、拋光，然后經(jīng)4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液浸蝕，最后采用光學(xué)顯微鏡觀察不同硬度區(qū)域的顯微組織形貌。

 

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

 

2.1 P22鋼的里氏與布氏硬度轉(zhuǎn)換關(guān)系

 

P22鋼在不同熱處理工藝下的里氏硬度和布氏硬度如表2所示。采用origin軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將里氏硬度作為橫坐標(biāo)、布氏硬度作為縱坐標(biāo)，對(duì)數(shù)據(jù)值進(jìn)行曲線擬合并通過(guò)軟件計(jì)算回歸方程。對(duì)頂端淬火數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后得到的里氏與布氏硬度回歸曲線如圖5所示，里氏與布氏硬度的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

 

表2 P22鋼不同熱處理工藝后的里氏硬度值與布氏硬度值

 

圖5 P22鋼頂端淬火后里氏-布氏硬度回歸曲線

 

由圖5可知，里氏硬度主要分布在425~675HLD之間，在低于575HLD時(shí)，硬度分布比較均勻且離散程度較低，而在高于575HLD時(shí)，硬度分布相對(duì)離散，并且缺乏更高硬度區(qū)間的數(shù)值分布，導(dǎo)致該頂端淬火工藝下的里氏與布氏硬度關(guān)系不能全面地包括更高硬度范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

 

圖6 P22鋼整體熱處理后里氏-布氏硬度回歸曲線

 

圖6為整體熱處理工藝下里氏與布氏硬度的回歸曲線，可以得到里氏與布氏硬度的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

 

 

由圖6可知，與頂端淬火工藝相比，整體熱處理得到了高于675HLD的硬度值，一定程度上擴(kuò)大了硬度值的區(qū)間范圍，但整體熱處理工藝下硬度分布較寬，導(dǎo)致575~650HLD區(qū)間內(nèi)硬度值缺失，不能精準(zhǔn)地得到里氏與布氏硬度的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

 

對(duì)頂端淬火和不同整體熱處理工藝得到數(shù)據(jù)分別進(jìn)行處理存在著一定的局限性，因此將所有熱處理工藝測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到的里氏與布氏硬度回歸曲線如圖7所示。

 

圖7 P22鋼頂端淬火和整體熱處理后里氏-布氏硬度回歸曲線

 

由圖7可知，整體熱處理工藝能得到更高的硬度值，從而擴(kuò)大了硬度值的范圍，同時(shí)通過(guò)頂端淬火工藝得到的硬度值補(bǔ)充整體熱處理硬度的缺失，使硬度值的分布范圍更廣、更均勻以及更全面，最終獲得425~775HLD區(qū)間內(nèi)的硬度，并得到里氏與布氏硬度的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

 

 

因此，基于頂端淬火以及整體熱處理獲得的數(shù)據(jù)，建立了從低硬度到高硬度更大范圍內(nèi)里氏硬度與布氏硬度的回歸關(guān)系，以期在一定程度上滿足不同區(qū)間硬度轉(zhuǎn)換的需求，從而減小在實(shí)際檢測(cè)中帶來(lái)的誤差。

 

2.2 顯微組織

 

圖8為不同工藝熱處理后P22鋼在不同硬度區(qū)域內(nèi)的顯微組織形貌。

 

圖8 P22鋼不同硬度區(qū)域的顯微組織形貌

 

由圖8a)、b)可知，在頂端淬火試樣的低硬度區(qū)域，試樣的顯微組織主要以鐵素體+珠光體為主。圖8c)、d)為頂端淬火試樣高硬度區(qū)域的顯微組織形貌，由圖8c)可以看出其顯微組織為珠光體+貝氏體+少量鐵素體，而圖8d)顯微組織中開(kāi)始形成少量板狀馬氏體，這說(shuō)明在頂端淬火中隨著冷卻速度的增大，鐵素體明顯減少，貝氏體逐漸增多，并在淬火端有馬氏體的形成，這一現(xiàn)象與文獻(xiàn)中的研究基本一致。從正火端到淬火端，試樣組織由鐵素體+珠光體，逐漸向鐵素體+珠光體+貝氏體以及貝氏體+馬氏體轉(zhuǎn)變。圖8e)、f)為P22鋼在風(fēng)冷和水淬后的顯微組織形貌，主要是以馬氏體為主，由于P22鋼中含有大量鉻、銅等元素，使其具有良好的淬透性。由圖8e)可以看出，風(fēng)冷后的P22鋼的顯微組織為板條馬氏體且晶粒尺寸較大，而經(jīng)過(guò)水淬的P22鋼的顯微組織以針狀馬氏體為主，如圖8f)所示，這種針狀馬氏體具有比板條馬氏體更高的硬度，顯微組織的變化很好地對(duì)應(yīng)了硬度的變化趨勢(shì)。

 

3 結(jié)論

 

通過(guò)對(duì)P22鋼進(jìn)行頂端淬火與整體熱處理等試驗(yàn)，得到了分布范圍更廣且更均勻的里氏與布氏硬度，并對(duì)其里氏布氏硬度之間的關(guān)系進(jìn)行了回歸分析。在該次試驗(yàn)所采用的研究方法下，建立了P22鋼在硬度值425~775 HLD范圍內(nèi)里氏硬度與布氏硬度的轉(zhuǎn)換關(guān)系，即