奧氏體不銹鋼硬度及強度換算關(guān)系

奧氏體不銹鋼里氏、維氏硬度及強度換算關(guān)系試驗是為了實現(xiàn)通過硬度來計算材料的強度，測試了幾種核電站用奧氏體不銹鋼在不同狀態(tài)下的里氏硬度、 維氏硬度、 屈服強度及抗拉強度，對數(shù)據(jù)進行了曲線擬合分析并獲得它們之間的回歸關(guān)系式。結(jié)果表明:奧氏體不銹鋼的里氏硬度 HL 與維氏硬度 HV 之間關(guān)系式符合冪函數(shù)關(guān)系或線性關(guān)系;硬度與屈服強度和抗拉強度之間關(guān)系式均符合線性關(guān)系。

在核電站中所用材料的屈服強度和抗拉強度是關(guān)鍵性的設(shè)計指標,另外這些參數(shù)還有助于預(yù)測材料加工硬化部位的應(yīng)力腐蝕破裂敏感性。然而實際構(gòu)件在經(jīng)過彎曲、 校直、 打磨等加工后 ,局部部位的這些強度數(shù)值不可能再用破壞性的常規(guī)拉伸試驗來獲得。因此采用簡易快速、 幾乎無損的硬度檢測得到其硬度值 ,再通過比較可靠的換算關(guān)系式來估算實際構(gòu)件材料的屈服強度、 抗拉強度等力學(xué)性能指標具有現(xiàn)實的意義。

里氏硬度是一種新型的動態(tài)硬度試驗方法 ,具有測試精度高 ,設(shè)備體積小、 操作容易、 攜帶方便 ,測量范圍寬的特點 ,常被應(yīng)用于現(xiàn)場大型構(gòu)件的硬度測定。前人的研究表明 ,里氏硬度與其他硬度以及強度等力學(xué)性能指標之間存在一定的規(guī)律,并得到了多種材料的硬度與強度換算關(guān)系式,同時國家標準中也有硬度與強度換算表 ,如 GB/ T 1172 -1999、 GB/ T 17394 - 1998。然而由于材料種類的不同以及不同硬度測量原理的不同 ,許多研究報道對不同材料的換算關(guān)系式并不統(tǒng)一 ,而實際使用時選擇適用的關(guān)系式十分重要。

奧氏體不銹鋼由于具有良好的抗腐蝕性能而被廣泛應(yīng)用于核電站中。目前 ,有關(guān)奧氏體不銹鋼硬度與強度之間換算關(guān)系的研究還很少見 ,國家標準提供的換算表中也缺乏此類的換算表。因此 ,檢測了若干國家核電站用奧氏體不銹鋼的里氏硬度、 維氏硬度和強度 ,在此基礎(chǔ)上研究了該類材料里氏硬度、 維氏硬度以及強度之間的換算關(guān)系。

奧氏體不銹鋼里氏、維氏硬度及強度換算關(guān)系證明步驟一、試樣制備與試驗方法
試驗用材料核電站用奧氏體不銹鋼有我國現(xiàn)正在使用的 304N G核級不銹鋼 ,日本的 304L、 316L不銹鋼以及印度的316LN 超低碳控氮不銹鋼 ,其化學(xué)成分見表 1。另外 ,為了模擬在核電站服役條件下的加工硬化以及輻照敏化對材料力學(xué)性能的影響 ,對部分不銹鋼試樣進行了敏化處理(以鋼號后加S表示。其中 ,304L S的敏化工藝為650 ℃× 100 h空冷 + 550 ℃×200 h 空冷 ,316L S 的敏化工藝為700 ℃×30 h 空冷 + 620 ℃× 400 h 空冷)或加工變形處理(以 WR 表示溫軋 , CW 表示冷軋) 。牌號304L WR750 表示在 200～250 ℃溫軋使抗拉強度達到 750 MPa ,304L CW900 為室溫冷軋抗拉強度為900 MPa ,304L CW1000 為室溫冷軋抗拉強度為1 000 MPa ,316L WR750 為 200～250 ℃溫軋抗拉強度為 750 MPa。工廠的固溶退火工藝為 1 100 ℃加熱 ,水冷。

表 1 　 試驗用奧氏體不銹鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))

日本核電用采用 MYB 型拉伸試驗機 ,試樣尺寸為標距長度 20 mm的短比例拉伸試樣 ,試驗前先將標距部分用砂紙打磨到 4 號砂紙 ,最后一道砂紙的打磨方向為軸向 ,以避免環(huán)向劃痕而影響試驗結(jié)果。采用 HLN211A 型里氏硬度計 ,依據(jù) GB/ T17394 - 1998 采用適用于絕大多數(shù)場合的D 型沖擊裝置進行里氏硬度( HL )檢測;采用 Zwick/ Roell 壓痕硬度儀 ,依據(jù) GB/ T 4340. 1 - 1999 進行維氏硬度( HV )檢測 ,載荷為 98 N ,保載時間為 10 s。用鋸床切割后的里氏硬度和維氏硬度試樣厚度符合國家標準要求 ,依次經(jīng)過 150 #和 500 #水砂紙打磨、 機械拋光、 電化學(xué)拋光等處理工序 ,試驗測試了 500 #水砂紙打磨、 機械拋光、 電化學(xué)拋光等表面狀態(tài)下的硬度值 ,每個試樣在不同表面狀態(tài)下測試 9 個點的里氏硬度和5 個點的維氏硬度 ,并分別求平均值作為該表面狀態(tài)下的里氏硬度和維氏硬度 ,取點間距符合相應(yīng)國家標準。

由于奧氏體不銹鋼的拉伸曲線中未出現(xiàn)明顯的屈服平臺 ,所以用規(guī)定非比例拉伸強度 Rp0. 2來表征材料的屈服強度。

奧氏體不銹鋼里氏、維氏硬度及強度換算關(guān)系證明步驟二、試驗結(jié)果和討論
2. 1 里氏硬度與維氏硬度的換算關(guān)系

表2 中括號前數(shù)據(jù)為電化學(xué)拋光后的硬度值 ,括號內(nèi)數(shù)據(jù)依次為 500 #水砂紙打磨、 機械拋光處理后的硬度值。從表 2 可以看出 ,里氏硬度( HL )與維氏硬度( HV )和強度( Rp0. 2 , Rm )的變化有一定的規(guī)律 ,當(dāng)里氏硬度值增加時 ,對應(yīng)的維氏硬度值和強度同時增加。

表 2 　 試驗用奧氏體不銹鋼的硬度值和強度值

對不同材料在不同表面處理狀態(tài)下得到的里氏硬度與對應(yīng)的維氏硬度進行擬合 ,并將 GB/ T17394 - 1998 中的碳鋼、 低合金鋼和鑄鋼的里氏與維氏硬度換算表繪制成曲線 ,將兩者曲線放在同一張圖上進行對比?？梢钥闯?nbsp;,奧氏體不銹鋼的試驗數(shù)據(jù)及擬合曲線位于碳鋼、 低合金鋼和鑄鋼曲線的上方 ,即在相同里氏硬度的情況下 ,奧氏體不銹鋼的維氏硬度較高。

GB/ T 17394 - 1998 中碳鋼、 低合金鋼和鑄鋼的里氏硬度與對應(yīng)的維氏硬度換算表數(shù)據(jù)呈近似線性關(guān)系或冪函數(shù)關(guān)系。若擬合成冪函數(shù)形式: HV =A 3 ( HL )B,求得 A = 0. 000 02 ,B = 2. 61 ,按照數(shù)理統(tǒng)計的方法回歸分析了變量之間的相關(guān)系數(shù) R,得到 R = 0. 996 ;如果采用線性擬合 ,關(guān)系式為 HV= A 3 HL + B ,求得 A = 1. 42 , B = - 457. 60 , R =01968。通常 R > 0. 75 時認為擬合結(jié)果有一定規(guī)律 , R值越接近1 說明擬合程度越高。比較碳鋼、 低合金鋼和鑄鋼的線性擬合與冪函數(shù)關(guān)系擬合的 R值 ,可知冪函數(shù)關(guān)系擬合優(yōu)于線性擬合 ,也就是說里氏硬度與維氏硬度更接近冪函數(shù)關(guān)系 ,而且冪函數(shù)關(guān)系可通過原點 ,因而顯得比線性擬合結(jié)果更合理。
 

                圖1         不同材料里氏硬度與維氏硬度的擬合曲線

將試驗獲得的奧氏體不銹鋼的里氏硬度與維氏硬度擬合成冪函數(shù)形式 HV = A 3 ( HL )B時 ,得 A =0. 001 5 ,B = 1. 95 ,相關(guān)系數(shù) R = 0. 955 ;如采用線性擬合 HV = A 3 HL + B ,則 A = 0. 96 ,B = - 200. 78 ,相關(guān)系數(shù) R = 0. 980。由于試驗所得到的奧氏體不銹鋼硬度主要分布在曲線的兩端而缺少中間值 ,且樣本數(shù)(數(shù)據(jù)點)不夠多 ,所以導(dǎo)致了回歸關(guān)系式的相關(guān)系數(shù) R降低 ,但仍然遠大于 0. 75。在這里冪函數(shù)擬合和線性擬合各有利弊 ,冪函數(shù)擬合的曲線過原點 ,但相關(guān)系數(shù)稍低 ,而線性擬合相關(guān)系數(shù)稍高但不通過原點。

2. 2 　 里氏硬度與強度的換算關(guān)系

從圖 2 可以看出 ,奧氏體不銹鋼的里氏硬度與強度的數(shù)據(jù)點在一定程度上符合線性關(guān)系 ,所以對試驗獲得的經(jīng)電化學(xué)拋光處理后的里氏硬度與強度進行線性擬合,分別獲得了里氏硬度 HL 與屈服強度RP0. 2和抗拉強度 Rm 的回歸關(guān)系式。里氏硬度與屈服強度的關(guān)系為 RP0. 2 = A 3 HL + B , A = 3. 38 ,B =- 941. 16 ,相關(guān)系數(shù) R = 0. 981 ;里氏硬度與抗拉強度的關(guān)系為 Rm = A 3 HL + B , A = 2. 06 , B =116101 ,相關(guān)系數(shù) R = 0. 938。本試驗結(jié)果與在對碳鋼 和低合金鋼 ( Q215A , Q215B ,Q235A , Q235B , Q235C , 16Mn , 15MnV) 以及船板鋼、 管線鋼、 軍用鋼等材料研究時得到的線性擬合關(guān)系式 Rm = 2. 083 3 HL - 2. 97 相比 ,兩直線的斜率接近 ,但截距相差較大。

由于本試驗所得到奧氏體不銹鋼的里氏硬度分布在擬合直線兩端 ,而中間值較少 ,所以表現(xiàn)在曲線上有一定的分散 ,但這不影響總的規(guī)律 ,即里氏硬度與屈服強度和抗拉強度都呈線性關(guān)系。

                    圖2 　 試驗鋼里氏硬度與強度的擬合曲線

2. 3 　 維氏硬度與強度的換算關(guān)系

按照里氏硬度與強度之間的擬合方法對本試驗奧氏體不銹鋼經(jīng)電化學(xué)拋光處理后的維氏硬度與強度進行了擬合 ,結(jié)果見圖 3 ,并將 GB/ T 1172 - 1999中不銹鋼(材料種類和鋼號不詳)的維氏硬度與僅有的抗拉強度的換算數(shù)據(jù)也放入圖中作為參考。從圖 3 可見 ,GB/ T 1172 - 1999 中的數(shù)據(jù)間符合線性關(guān)系 ,進行線性擬合得到 Rm = A 3 HV + B ,其中 A = 3. 30 , B = - 9. 52 ,相關(guān)系數(shù) R = 0. 998。本試驗奧氏體不銹鋼的維氏硬度和對應(yīng)的抗拉強度數(shù)據(jù)也大致符合線性關(guān)系分布 ,進行線性擬合 ,得到維氏硬度與抗拉強度的關(guān)系式為 Rm = A 3 HV + B ,A = 2. 10 , B = 252. 46 ,相關(guān)系數(shù) R = 0. 956 ;維氏硬度與屈服強度的關(guān)系式為: RP0. 2 = A 3 HV + B ,其中A = 3. 40 , B = - 212. 90 ,相關(guān)系數(shù) R = 0. 988。

                       圖3 　  不同材料維氏硬度與強度的擬合曲線

比較 GB/ T 1172 - 1999 中有關(guān)維氏硬度和抗拉強度數(shù)據(jù)換算的回歸關(guān)系式和本試驗數(shù)據(jù)的回歸關(guān)系式,發(fā)現(xiàn)前者的斜率( A = 3. 30)要大于后者的( A = 2. 10) ,在國家標準中硬度換算范圍的下限為226 HV ,而本試驗中最低硬度值為 129 HV。還應(yīng)該說明的是 ,硬度與強度是性質(zhì)不同的兩個物理量 ,兩者之間不一定存在必然的一一對應(yīng)關(guān)系 ,但研究得到的經(jīng)驗性換算關(guān)系式可以對工程應(yīng)用做出重要貢獻。

奧氏體不銹鋼里氏、維氏硬度及強度換算關(guān)系證明步驟三、結(jié)論
3.1 奧氏體不銹鋼的里氏硬度與維氏硬度的擬合結(jié)果可表達為冪函數(shù)關(guān)系 ,也可表述為線性關(guān)系;冪函數(shù)式為 HV = 0. 001 5 3 HL- 1. 95,相關(guān)系數(shù) R =0. 955 ;線性關(guān)系式為 HV = 0. 96 3 HL - 200. 78 ,相關(guān)系數(shù) R = 0. 980。

3.2 奧氏體不銹鋼的里氏硬度與屈服強度和抗拉強度之間符合線性關(guān)系 ,其回歸關(guān)系式為 RP0. 2 =3. 38 3 HL - 941. 16 ,相關(guān)系數(shù) R = 0. 981 ; Rm =2106 3 HL + 116. 01 ,相關(guān)系數(shù) R = 0. 938。

3.3 奧氏體不銹鋼的維氏硬度與屈服強度和抗拉強度之間符合線性關(guān)系 ,其回歸關(guān)系式為RP0. 2 =3. 40 3 HV - 212. 90 ,相關(guān)系數(shù) R = 0. 988 ; Rm =2110 3 HV + 252. 46 ,相關(guān)系數(shù) R = 0. 956。

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