分享:10Cr9Mo1VNbN 鋼大直徑三通鍛件的 硬度規(guī)定值取值分析
10Cr9Mo1VNbN鋼大直徑三通鍛件的硬度規(guī)定值取值分析
郭延軍,朱海寶,吳 燁
(華電電力科學(xué)研究院,杭州 310030)
摘 要:針對(duì)10Cr9Mo1VNbN 鋼大直徑三通鍛件的布氏硬度規(guī)定值取值問(wèn)題,對(duì)部分同種材料鍛件的布氏硬度與抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,并給出了布氏硬度與抗拉強(qiáng)度換算的關(guān)系公式;對(duì)600MW超臨界機(jī)組安裝現(xiàn)場(chǎng) F91(即10Cr9Mo1VNbN)鋼大直徑鍛制三通成品進(jìn)行了表面硬度測(cè)試以驗(yàn)證其硬度均勻性.在參照國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)同類材料硬度規(guī)定的基礎(chǔ)上,研究分析確定:10Cr9Mo1VNbN 鋼大直徑三通鍛件的布氏硬度應(yīng)控制在190~248HBW,同一鍛件的硬度均勻性偏差應(yīng)不大于40HBW.
關(guān)鍵詞:10Cr9Mo1VNbN 鋼;大直徑三通鍛件;硬度;規(guī)定值;均勻性偏差
中圖分類號(hào):TG113.25;TG115.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1001G4012(2017)06G0396G04
AnalysisontheSpecifiedHardnessValuesof10Cr9Mo1VNbNSteel
LargeDiameterTeeForgings
GUOYanjun,ZHUHaibao,WUYe
(HuadianElectricPowerResearchInstitute,Hangzhou310030,China)
Abstract:TodeterminethestandardBrinellhardnessvaluesof10Cr9Mo1VNbNsteellargediametertee
forgings,thestatisticanalysisontheBrinellhardnessandtensilestrengthofanumberofthesamematerialforgings
wasperformedandtheformulaoftherelationshipbetweenthesetwocharacteristicparameterswasgiven.The
surfacehardnesstestwasdonefortheF91 (namely10Cr9Mo1VNbN)steellargediameterforgedteesusedin
600MWsuperGcriticalunitsaterectionsitetoverifythehardnessevenness.Onthebasisofthestatisticanalysis,
testingresultsandrequirementsofthedomesticandforeignstandardsforsimilarorsame materials,it was
determinedthatthestandardBrinellhardnessvaluesof10Cr9Mo1VNbNsteellargediameterteeforgingsshouldbe
controlledin190-248HBWandthehardnessdifferenceofonepieceshouldbelimitedtonomorethan40HBW.
Keywords:10Cr9Mo1VNbN steel;large diameterteeforging;hardness;specified value;uniformity
deviation
我國(guó)材料牌號(hào)10Cr9Mo1VNbN 在美國(guó)材料與試驗(yàn)學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn) ASTM A182-2016[1]中的對(duì)應(yīng)牌號(hào)為 F91,在 ASTM A335-2015[2]中的牌號(hào)為 P91,在歐 洲 標(biāo) 準(zhǔn) EN 10216G2:2013[3]和 EN 10222G2:
2000[4]中的對(duì)應(yīng)牌號(hào)為 X10CrMoVNb9G1,該材料是亞臨界和超臨界機(jī)組高溫蒸汽管道及其組成件、聯(lián)箱部件等廣泛應(yīng)用的馬氏體耐熱鋼.新修訂的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) DL/T473(現(xiàn) 行 標(biāo) 準(zhǔn) 是 DL/T473-1992«大直徑三通鍛件技術(shù)條件»)列入了該鍛件材料牌號(hào).正 如ISO18265:2013
[5]中 所 指 出 的,硬度試驗(yàn)是在 相 對(duì) 較 短 的 時(shí) 間 內(nèi)、以 有 限 的 損 傷 提供材料力學(xué) 性 能 信 息 的 一 種 檢 驗(yàn) 方 式,故 在 對(duì) 成品部件無(wú)法 取 樣 進(jìn) 行 拉 伸 試 驗(yàn) 的 條 件 下,硬 度 試驗(yàn)成為反映材料力學(xué)性能的一種方便快捷的檢驗(yàn)方法.對(duì)于國(guó)產(chǎn)鉻 含 量 在 9% ~12%(質(zhì) 量 分 數(shù),以下表示為9%~12%Cr)的鋼管和管件,硬度過(guò)低可能無(wú)法 滿 足 材 料 的 拉 伸 強(qiáng) 度 要 求,而 硬 度 過(guò)高則可能 無(wú) 法 滿 足 材 料 的 沖 擊 吸 收 能 量 要 求[6]. 因此,標(biāo)準(zhǔn)中如何規(guī)定該鍛件材料的硬度,對(duì)鍛件 質(zhì)量驗(yàn)收以及通過(guò)硬度試驗(yàn)結(jié)果表征鍛件材料的 力 學(xué) 性 能 而 言 至 關(guān) 重 要. 為 此,筆 者 基 于 對(duì) 10Cr9Mo1VNbN 鋼同種材料鍛件的硬度與抗拉強(qiáng) 度的統(tǒng)計(jì)、國(guó) 內(nèi) 外 相 關(guān) 標(biāo) 準(zhǔn) 對(duì) 同 類 材 料 硬 度 的 規(guī) 定以及現(xiàn)場(chǎng) 測(cè) 試 結(jié) 果 的 分 析,給 出 了 布 氏 硬 度 與 抗拉強(qiáng)度的 關(guān) 系 公 式,科 學(xué) 規(guī) 定 了 大 直 徑 三 通 鍛 件材料10Cr9Mo1VNbN 鋼的硬度數(shù)值,這對(duì)于通過(guò)非破壞性的快捷硬度試驗(yàn)方法[7]來(lái)確認(rèn)大直徑三通鍛件的 強(qiáng) 度 性 能、保 證 成 品 鍛 制 三 通 服 役 后的運(yùn)行安全性具有重要意義.
1 試驗(yàn)材料
大直徑三通鍛件材料10Cr9Mo1VNbN 鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能是在參照 ASTM A182-2016和EN10222G2:2000的基礎(chǔ)上確定的,分別見(jiàn)表1和表2.
2 硬度標(biāo)準(zhǔn)取值及硬度均勻性問(wèn)題分析
2.1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)硬度的規(guī)定
現(xiàn) 行 電 力 行 業(yè) 標(biāo) 準(zhǔn) DL/T 438-2016[8] 對(duì)9%~12%Cr系列鋼制造的鍛造管件(成品鍛制三通 )硬 度 要 求 為 180 ~ 250 HBW,考 慮 到10Cr9Mo1VNbN 鋼大直徑三通鍛件在形成成品管件過(guò)程中的二次機(jī)械加工后的硬度差異及配管后整體焊后熱處理的影響,其標(biāo)準(zhǔn)硬度下限值應(yīng)高于成品鍛制三通的.
ASTM A335-2009及其之前的版本對(duì) P91鋼的硬度要求為不超過(guò)250 HBW,未規(guī)定硬度下限值;ASTM A335-2009a及 其 以 后 的 版 本 規(guī) 定 了P91鋼的硬度下限值,要求硬度為190~250HBW,其對(duì)抗拉強(qiáng)度(Rm ≥585 MPa)、屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率的要求未發(fā)生變化.在 ASTM A182-2010a及其以前的版本中,對(duì)F91鋼的抗拉強(qiáng)度要求為Rm ≥585 MPa,硬度上限值為248HBW,未規(guī)定硬度下限值;在2011年修訂后的 ASTM A182-2011版本中,對(duì) F91鋼的抗拉強(qiáng)度要求修訂為Rm ≥620MPa,除硬度上限值外還規(guī)定了硬度下限值,即190~248HBW,其拉伸性能的其他指標(biāo)如屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率保持不變,且一直沿用至今.
在現(xiàn) 行 歐 洲 標(biāo) 準(zhǔn) EN 10216G2:2013 和 EN10222G2:2000中,未對(duì) X10CrMoVNb9G1鋼的硬度進(jìn)行要求.
2.2 硬度與抗拉強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系探討
2.2.1 硬度與抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析
由于金屬材料的布氏硬度與抗拉強(qiáng)度之間存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系[9],因此通過(guò)對(duì)部分硬度在200~237HBW 的 F91鋼鍛件的硬度與抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,可得出其硬度與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系,如圖1所示.用最小二乘法將其擬合于一條直線(圖1中的虛線),可得出表示該鋼布氏硬度 HBW與抗拉強(qiáng)度Rm 關(guān)系的直線方程如下Rm =2.86HBW +101.9 (1)按 照 式 (1)推 算,當(dāng) F91 鋼 鍛 件 硬 度 分 別 為175,190,248HBW3個(gè)典型數(shù)值時(shí),對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度分別為602,645,811MPa.
2.2.2 標(biāo)準(zhǔn)與文獻(xiàn)資料提供的數(shù)據(jù)
國(guó) 際 標(biāo) 準(zhǔn) ISO 18265:2013 未 提 供 9% ~12%Cr耐熱鋼硬度與強(qiáng)度轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù),但其提供的非合金與低合金鋼硬度與強(qiáng)度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)(部分?jǐn)?shù)據(jù)見(jiàn)表3)具有很好的參考價(jià)值.采用插入法計(jì)算,布氏硬度為175,190,248HBW 時(shí)所對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度分別為591,640,838MPa.
文 獻(xiàn) [6]給 出 的 數(shù) 據(jù) 表 明:P91 鋼 的 硬 度 為168HBW 時(shí),其抗拉強(qiáng)度Rm ≈570 MPa;P91鋼的硬度為191 HBW 時(shí),其抗拉強(qiáng)度 Rm ≈660MPa.文獻(xiàn)[6]還得出如下結(jié)論:P91鋼管件的硬度應(yīng)控制在175~250HBW.若按線性關(guān)系推算,在硬度為175HBW 時(shí),其抗拉強(qiáng)度Rm ≈597MPa.
2.3 硬度規(guī)定值的確定
對(duì)比式(1)推算值和ISO18265:2013提供的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),由式(1)推算的抗拉強(qiáng)度數(shù)值與ISO18265:2013 提 供 的 數(shù) 值 相 差 較 小,175,190,248HBW3個(gè)典型硬度所對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度偏差分別僅為1.9%,0.8%,3.3%.由以上分析可以看出,無(wú)論是ISO18265:2013和文獻(xiàn)[6]給出的數(shù)據(jù),還是筆者對(duì) F91鋼鍛件的硬度與對(duì)應(yīng)抗拉強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),都充分說(shuō)明該鋼在布氏硬度為175HBW 時(shí),其抗拉強(qiáng)度可滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不小于585MPa的要求.考慮到鍛件的后續(xù)機(jī)加工及配管焊后熱處理對(duì)硬度的影響及大直徑鍛制三通服役后的安全性,10Cr9Mo1VNbN 鋼大直徑三通鍛件的規(guī)定硬度應(yīng)高于175HB,參照 ASTM A182-2016規(guī)定,最終將10Cr9Mo1VNbN 鋼大直徑三通鍛件的規(guī)定硬度確定為190~248HBW.
2.4 表面硬度均勻性問(wèn)題探討
2.4.1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定
大直徑三通鍛件整體的硬度均勻性反映了熱處理過(guò)程中溫度場(chǎng)的均勻性以及鍛件各部位熱處理狀態(tài)的一致性.GB/T16923-2008[10]對(duì)鋼件表面硬度的偏差范圍(硬度均勻性)有明確規(guī)定,按照4級(jí)工件品質(zhì)等級(jí)(最低級(jí))要求,同一工件的硬度偏差應(yīng)不超過(guò)40HBW.DL/T438-2016雖然規(guī)定了鍛造管件的硬度應(yīng)均勻,但取消了之前版本中的硬
度均勻性規(guī)定,即取消了同一管件的硬度偏差應(yīng)不大于50HBW 的要求.
2.4.2 實(shí)測(cè)結(jié)果分析
為驗(yàn)證大直徑三通鍛件的硬度均勻性問(wèn)題,用里氏硬度計(jì)分別對(duì)600 MW 超臨界機(jī)組基建安裝現(xiàn)場(chǎng)主蒸汽管道和再熱蒸汽熱段管道具備測(cè)試條件的5件F91鋼成品鍛制三通(主蒸汽管道2件,再熱蒸汽熱段管道3件,見(jiàn)圖2和圖3)進(jìn)行了表面硬度測(cè)試,5件鍛制三通的規(guī)格參數(shù)如表4所示.由于成品鍛制三通配管后經(jīng)過(guò)整體回火熱處理,其表面硬度比原鍛件本身硬度有所下降,故現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的主蒸汽管道和再熱蒸汽熱段管道鍛制三通的表面硬度不一定滿足新修訂 DL/T473的要求.主蒸汽管道2件鍛制三通實(shí)測(cè)表面硬度分布情況見(jiàn)圖4,再熱蒸汽熱段管道3件鍛制三通實(shí)測(cè)表面硬度分布情況見(jiàn)
圖5,每件鍛制三通的測(cè)點(diǎn)數(shù)量及硬度最大值與最小值見(jiàn)表5,每個(gè)測(cè)點(diǎn)取其5次測(cè)試值的平均值作為該測(cè)點(diǎn)的硬度.實(shí)測(cè)結(jié)果表明,同一鍛制三通的硬度均勻性偏差為12~29 HBW.由此可以看出,在按規(guī)范要求進(jìn)行正常熱處理的條件下,工件的硬度均勻性是比較好 的,完全可滿足GB/T16923-2008規(guī)定的4級(jí)工件品質(zhì)等級(jí)要求.因此,新修訂的 DL/T473規(guī)定10Cr9Mo1VNbN 鋼大直徑三通鍛件的硬度均勻性偏差應(yīng)不大于40HBW.
3 結(jié)論
(1)對(duì) 于 10Cr9Mo1VNbN 鋼 大 直 徑 三 通 鍛件,在確保硬度不低于175HBW 的情況下,可滿足
標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抗拉強(qiáng)度Rm ≥585MPa的要求.
(2)考慮到大直徑三通鍛件的后續(xù)機(jī)加工及配管焊后熱處理對(duì)硬度的影響,應(yīng)對(duì)鍛件的硬度下限值考慮一定裕量.基于對(duì) F91鋼鍛件的硬度與抗拉強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)分析及成品鍛制三通的現(xiàn)場(chǎng)表面硬度測(cè)試,參考 ASTM A182-2016等標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,確定了10Cr9Mo1VNbN 鋼大直徑三通鍛件的硬度及均勻性偏差要求,即硬度應(yīng)控制在190~248HBW,同一鍛件的硬度均勻性偏差應(yīng)不大于40HBW.
(3)按照該文給出的布氏硬度與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系公式 Rm =2.86HBW +101.9,可通過(guò)簡(jiǎn)便的硬度測(cè)試方法來(lái)推算10Cr9Mo1VNbN 鋼大直徑三通鍛件材料的抗拉強(qiáng)度,這有利于在無(wú)法取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)的情況下了解掌握該材料的抗拉強(qiáng)度.而虛擬化的里氏硬度計(jì)則是在手機(jī)或電腦上添加信號(hào)采集硬件模塊(智能沖擊裝置)及基于圖形用戶界面(GUI)的應(yīng)用軟件,然后借助手機(jī)或電腦設(shè)備,實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的運(yùn)算功能及通信功能.
3.4 依托大行業(yè)的定制里氏硬度計(jì)
里氏硬度計(jì)必將打破一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)檢測(cè)天下硬度的“萬(wàn)金油”形象,將來(lái)會(huì)依托大行業(yè),針對(duì)具體大行業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)流程,制定適合行業(yè)的檢測(cè)方法,生成更準(zhǔn)確的硬度轉(zhuǎn)換關(guān)系.時(shí)代 TIME5303型軋輥專用硬度計(jì)即是對(duì)軋輥生產(chǎn)行業(yè)的一種定制機(jī)型.通過(guò)對(duì)大量的軋輥試樣進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)[8],用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)某通用轉(zhuǎn)換表進(jìn)行修正,提高了軋輥工件的肖氏硬度轉(zhuǎn)換精度(里氏硬度轉(zhuǎn)換為肖氏硬度),已經(jīng)在軋輥生產(chǎn)行業(yè)獲得了更加廣泛的應(yīng)用.另外,里氏硬度計(jì)在功能上如何適應(yīng)大行業(yè)也需要給予充分考慮.
3.5 用于自動(dòng)化生產(chǎn)線的里氏硬度測(cè)試單元
自動(dòng)化生產(chǎn)線具備提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、改善勞動(dòng)條件等優(yōu)勢(shì),在機(jī)械制造業(yè)中就有鑄造、鍛造、沖壓、熱處理、焊接、切削加工、機(jī)械裝配等諸多生產(chǎn)線,自動(dòng)化生產(chǎn)線是現(xiàn)代化生產(chǎn)的必然趨勢(shì).對(duì)于自動(dòng)化生產(chǎn)線上工件的質(zhì)量控制也必然要求自動(dòng)化,因此無(wú)人值守、可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試的里氏硬度測(cè)試
裝備會(huì)大有作為,將來(lái)可作為標(biāo)準(zhǔn)“里氏硬度測(cè)試單元”,集成到自動(dòng)化生產(chǎn)線上,成為生產(chǎn)大系統(tǒng)的眾多感知器官之一,大大提高檢測(cè)效率和生產(chǎn)效率.
4 結(jié)束語(yǔ)
里氏硬度計(jì)問(wèn)世近40a(年)來(lái),因其不可替代的優(yōu)勢(shì),在金屬材料的硬度檢測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用.隨著整個(gè)社會(huì)科技的不斷進(jìn)步,里氏硬度計(jì)也必須要跟隨時(shí)代的發(fā)展,各種新思維和新技術(shù)在里氏硬度計(jì)上的應(yīng)用,必將使里氏硬度計(jì)能夠更加適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)過(guò)程,并發(fā)揮出更大的作用。
(文章來(lái)源:材料與測(cè)試網(wǎng)-理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè) > 2017年 > 6期 > pp.396)
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