P22鋼的里氏硬度與布氏硬度的轉換關系

張啟禮, 金學峰, 翟孟杰, 諸美杏, 黃耀杰, 張鳳林

(1.廣東省特種設備檢測研究院, 佛山 528251； 2.廣東工業大學 機電工程學院, 廣州 510006)

P22鋼為2.25Cr-1Mo低合金鋼，具有較高的熱強性能，良好的抗氧化性、抗氫蝕能力和焊接性能，廣泛應用于石油化工、核電及電站鍋爐等高溫設備中[1-2]。在電站鍋爐實際運行環境中，過高的蒸汽溫度和蒸汽壓力對耐熱鋼提出了更高的要求。因此，對P22鋼進行安全性能評定具有重要意義。目前，國內外對P22鋼的研究多集中在焊接性能、壽命評估及熱處理工藝對其性能的影響方面[3-5]。硬度檢測是電站鍋爐安全檢驗中的一種常用評定手段。耐熱鋼的組織形態、殘余應力以及加工工藝等都與硬度密切相關。提高硬度檢測的準確性和可靠性對電站鍋爐的安全評定有重要作用。

DL/T 438—2009《火力發電廠金屬技術監督規程》和DL/T 869—2012《火力發電廠焊接技術規程》中規定電站鍋爐用鋼硬度以布氏硬度值為標準，但在實際工況中，布氏硬度測試有一定的局限性，而里氏硬度計具有體積小、使用方法簡單、便于攜帶、檢測效率高等優點，同時適用于測試大型、難以拆卸以及特殊部位的工件，在電站工程現場已被廣泛使用[6-8]。然而將里氏硬度作為電站現場硬度檢測的評判標準還不成熟，并且現有的GB/T 17394.4—2014《金屬材料 里氏硬度試驗 第4部分：硬度值換算表》中換算關系并未對不同材料作詳細區分，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境影響改變會影響兩種硬度值之間的關系。因此，在實際應用中應進行硬度對比分析后再將里氏硬度轉換為布氏硬度，以確保測試結果的準確性[9-10]。

依據GB/T 17394.1—2014《金屬材料 里氏硬度試驗 第一部分：試驗方法》，對于特定材料，將里氏硬度較準確地換算為其他硬度，必須進行硬度對比試驗以得到相應的換算關系。但目前對于里氏硬度與布氏硬度之間轉換關系的研究并不多，田永紅[11]對球磨鑄鐵進行了里氏硬度和布氏硬度對比分析，以回歸分析法得出了里氏與布氏硬度的換算關系為

HBW=34.751+0.381 125HLD

(1)

式中：HBW為布氏硬度；HLD為里氏硬度。

此試驗條件有一定局限性，硬度范圍不夠寬(221～249 HBW)，因此，只有硬度在該范圍內時，用回歸方程換算出來的硬度才較為理想。

王濤等[12]采用不同熱處理方法對P92鋼進行硬度對比試驗，得到里氏硬度與布氏硬度的轉換關系為

HBW=0.79HLD-145.85

(2)

楊小敏等[13]通過對42CrMo鑄鋼進行淬火和回火熱處理測得其里氏硬度和布氏硬度，建立了兩種硬度的對應關系為

(3)

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換關系，對實際工作中硬度準確的測量具有一定的指導意義，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，超過該范圍的里氏硬度與布氏硬度的關系會有所不同，若采用統一的轉換關系又勢必會造成誤差，影響硬度檢測的準確性。因此，筆者采用頂端淬火和整體熱處理工藝對P22鋼進行試驗，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換關系。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗材料為P22鋼管，其主要化學成分如表1所示，可見該次試驗用P22鋼管的化學成分滿足ASTM A335/A335M-2018對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65 mm×30 mm×20 mm，頂端淬火試樣的尺寸如圖1所示。

表1 P22鋼的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of the P22 steel (mass fraction) %

圖1 頂端淬火試樣的尺寸示意圖Fig.1 Dimension diagram of top quenched sample

1.2 熱處理工藝

對試樣進行頂端淬火，頂端淬火的加熱溫度為965 ℃，保溫時間40 min，當溫度達到965 ℃時將試樣放入XS3-4-1400型馬弗爐，為防止試樣表面發生脫碳及氧化，將試樣放入石墨顆粒中，待溫度重新升至965 ℃時開始保溫計時[14]。保溫結束后，將試樣取出放置在頂端淬火設備上進行頂端淬火，淬火時間為15 min，噴水口的內徑為12 mm，試樣與噴水口的距離為 12.5 mm，頂端淬火試驗流程如圖2所示。

圖2 頂端淬火工藝流程圖Fig.2 Flow chart of top quenching process

將整體熱處理試樣加熱至965 ℃，保溫40 min后分別進行正火、淬火、回火以及退火等熱處理，試驗設計了10種工藝，每種工藝3個試樣，具體工藝設計如表2所示。

表2 整體熱處理工藝設計Tab.2 Integral heat treatment process design

將頂端淬火后的圓棒試樣切成尺寸為100 mm×17 mm×17 mm的長方體，和整體熱處理試樣同在MP-2B型研磨拋光機上打磨拋光至試樣表面光滑平坦，使試樣表面達到GB/T 17394.1—2014和GB/T 231.1—2018《金屬材料 里氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》所要求的里氏和布氏硬度測試標準。

1.3 硬度測試

依據GB/T 231.1—2018，采用HBRVU-187.5型布洛維硬度計在試樣的表面測試硬度，使用φ2.5 mm的硬質合金壓頭，加載載荷1 839 N，保持時間10 s。具體操作為，分別以測試點距離試樣邊緣3、4、5 mm間隔和兩測試點之間距離3 mm的間隔開始測試布氏硬度，待硬度值變化不超過10 HBW時增加測試間隔，同一水平位置取3個測試點，3個布氏硬度值的平均值作為最后的布氏硬度值。依據GB/T 17394.1—2014，試樣的質量小于試驗允許的最小質量時，需要根據試驗要求對試樣進行剛性支承并耦合到載物臺上進行試驗，具體操作為：借助凡士林作為耦合劑將試樣耦合到高8 cm、質量為5 kg、表面粗糙度為50 nm的載物臺上，使用HLN-11A型里氏硬度計在布氏硬度測試面的相鄰面進行對應點的里氏硬度測試，頂端淬火試樣的硬度測試示意圖如圖3所示。

圖3 頂端淬火試樣硬度測試示意圖Fig.3 Schematic diagram of hardness test of top quenched sample

在整體熱處理試樣上選取5個區域的中心部位測試布氏硬度值，在布氏硬度壓痕周圍均勻分布的5個位置測試里氏硬度，如圖4所示。測試結束后將5個布氏硬度的平均值與25個里氏硬度的平均值作為一組對應值。

圖4 整體熱處理試樣硬度測試示意圖Fig.4 Schematic diagram of hardness test of integral heat treatment sample

待完成硬度測試后，對試樣進行切割、打磨、拋光，然后經4%(體積分數)硝酸酒精溶液浸蝕，最后采用光學顯微鏡觀察不同硬度區域的顯微組織形貌。

2 試驗結果與討論

2.1 P22鋼的里氏與布氏硬度轉換關系

P22鋼在不同熱處理工藝下的里氏硬度和布氏硬度如表3所示。采用origin軟件對數據進行處理，將里氏硬度作為橫坐標、布氏硬度作為縱坐標，對數據值進行曲線擬合并通過軟件計算回歸方程。對頂端淬火數據進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換關系為

圖5 P22鋼頂端淬火后里氏-布氏硬度回歸曲線Fig.5 Regression curve of Leeb-Brinell hardness of P22 steel after top quenching

表3 P22鋼不同熱處理工藝后的里氏硬度值與布氏硬度值Tab.3 Leeb hardness values and Brinell hardness values of P22 steel after different heat treatment processes

HBW=1.09HLD-307.8

(4)

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

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換關系為

(5)

由圖6可知，與頂端淬火工藝相比，整體熱處理得到了高于675 HLD的硬度值，一定程度上擴大了硬度值的區間范圍，但整體熱處理工藝下硬度分布較寬，導致575～650 HLD區間內硬度值缺失，不能精準地得到里氏與布氏硬度的轉換關系。

圖6 P22鋼整體熱處理后里氏-布氏硬度回歸曲線Fig.6 Regression curve of Leeb-Brinell hardness of P22 steel after integral heat treatment

對頂端淬火和不同整體熱處理工藝得到數據分別進行處理存在著一定的局限性，因此將所有熱處理工藝測得的數據進行回歸分析，得到的里氏與布氏硬度回歸曲線如圖7所示。由圖7可知，整體熱處理工藝能得到更高的硬度值，從而擴大了硬度值的范圍，同時通過頂端淬火工藝得到的硬度值補充了

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Fig.7 Regression curve of Leeb-Brinell hardness of P22 steel after top quenching + integral heat treatment

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425～775 HLD區間內的硬度，并得到里氏與布氏硬度的轉換關系為

(6)

因此，基于頂端淬火以及整體熱處理獲得的數據，建立了從低硬度到高硬度更大范圍內里氏硬度與布氏硬度的回歸關系，以期在一定程度上滿足不同區間硬度轉換的需求，從而減小在實際檢測中帶來的誤差。

2.2 顯微組織

圖8為不同工藝熱處理后P22鋼在不同硬度區域內的顯微組織形貌。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)顯微組織中開始形成少量板狀馬氏體，這說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，這一現象與文獻[15]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+馬氏體轉變。圖8e)、f)為P22鋼在風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，而經過水淬的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應了硬度的變化趨勢。

圖8 P22鋼不同硬度區域的顯微組織形貌Fig.8 Microstructure morphology of P22 steel in different hardness regions: a) 168.2 HBW, top quenching; b) 207.4 HBW, top quenching; c) 297.2 HBW, top quenching; d) 426.8 HBW, top quenching; e) 522.4 HBW, process 2; f) 600.6 HBW, process 4

3 結論