CN102183430B - 20号钢的珠光体球化等级的现场检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种20号钢的珠光体球化等级的现场检测方法，解决了传统的金相法造成工作部件破坏、检测工序繁琐，对操作者知识水平和经验要求较高等问题。本发明先对被测钢件表面进行机械清除，接着进行机械磨抛，磨抛过程同时喷水，待表面粗糙度控制在Ra≤1.6μm，然后采用里氏硬度计对同一部位依次进行20-40次硬度测试，分别读取其布氏硬度值，对多次测试获得的布氏硬度值进行数据处理，获得20号钢件的珠光体球化等级，整个数据处理过程通过计算机程序完成。本发明具有对工件破坏小、检测工序简单、使用设备简单、对操作者的知识水平和经验要求低、检验效率高、自动化程度高、精确性更高、重复性好等优点。

Description

20号钢的珠光体球化等级的现场检测方法
技术领域
本发明涉及一种珠光体球化等级的评定方法，特别是一种20号钢的珠光体球化等级的现场检测方法。
背景技术
20号钢是优质碳素结构钢，可以用于制造使用温度不超过450℃的锅炉过热器、锅炉水冷壁管以及焦炭塔塔体等，在电力、石化领域应用广泛。然而20号钢在高温长期使用过程中，其组织中的珠光体会发生球化现象，就是珠光体的渗碳体（碳化物）形态由最初的层片状逐渐转变成球状，材料的力学性能也随之下降。球化现象实质是一个扩散过程，同时也是材质老化过程。
20号钢的珠光体球化特征分为5级，分别对应未球化（1级）、倾向性球化（2级）、轻度球化（3级）、中度球化（4级）、完全球化（5级）。通过对20号钢的珠光体球化程度进行评级是一种比较可靠且目前较通用的寿命评估方法（中华人民共和国电力行业标准，DL/ T 674- 1999，火电厂用20号钢珠光体球化评级标准）。传统的20号钢珠光体评级方法需要在工作部件上切取金相试样，然后经过180、320、400、500、600号水砂纸依次粗磨，然后以01、02、03号金相砂纸精磨或用金相精磨机磨制，然后通过机械抛光和浸蚀的方法获得金相观测试样，然后通过金相显微镜对照相关金相图谱进行比对，确定工件的珠光体球化等级。或者通过现场金相复膜的方法获得工件的金相组织状态，然后通过金相显微镜对照相关金相图谱进行比对并最终确定工件的珠光体球化等级。第一种方法的缺点在于检测的同时也对工作部件造成了破坏，而且整个检测工序非常繁琐，对操作者知识水平和经验要求较高。第二种方法虽然不致于破坏被测工件，但是也同样存在检测工序繁琐，对操作者知识水平和经验要求较高的问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服20号钢传统的珠光体球化等级检测方法的上述各种缺点，提供一种20号钢的珠光体球化等级的现场检测方法, 解决了传统的金相法造成工作部件破坏、检测工序繁琐，对操作者知识水平和经验要求较高等问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种20号钢的珠光体球化等级的现场检测方法，其特征在于，通过里氏硬度计测试钢件的布氏硬度来确定钢件的珠光体球化等级。
实现本发明目的另一技术方案是，一种20号钢的珠光体球化等级的现场检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
①选取被测钢件，用机械方法去除被测钢件表面的高温防锈漆、表面氧化层和脱碳层，同时对被测钢件喷水；
②将去除高温防锈漆、表面氧化层和脱碳层的被测钢件采用角磨机分别用水砂纸和金相砂纸对被测钢件表面依次进行磨抛，使被测钢件表面粗糙度Ra≤1.6μm，在对被测钢件进行磨抛的过程中同时对被测钢件喷水；
③对磨抛后的被测钢件采用里氏硬度计对准抛光表面向下推动加载套，同时将冲击装置支撑环紧压在试样表面，冲击方向与抛光表面垂直，然后平稳地按动冲击装置释放钮，对钢件的同一部位依次进行20-40次的硬度测试，任意两次压痕中心之间距离大于3mm，任一压痕中心距试样边缘距离大于5mm，，分别获得硬度值x(1)、x(2)、x(3)……x(n) ，其n=20-40；
④对硬度值进行数据处理，获得被测钢件的球化等级。
所述对硬度值进行数据处理，是对多次测量获得的硬度值进行排序：x(1)≤x(2)≤x(3)……≤x(n)，然后计算顺序统计量的平均值                                                和标准差s，确定最大残差
Figure 471053DEST_PATH_IMAGE002
，计算
Figure 23651DEST_PATH_IMAGE003
，其中α为显著度水平，一般为0.05，而
Figure 886564DEST_PATH_IMAGE004
表示自由度为n-2，并且显著度水平为α/2n的t分布的临界值，比较
Figure 48555DEST_PATH_IMAGE005
和G·s的大小，如果
Figure 110052DEST_PATH_IMAGE005
>G·s则剔除对应的硬度值，然后重复上述过程剔除可疑值，直到
Figure 332086DEST_PATH_IMAGE005
≤G·s，输出所有剩下硬度值的平均值，如果
Figure 180831DEST_PATH_IMAGE005
≤G·s则直接输出所有硬度值的平均值，将剩下的硬度平均值代入公式y= 0.005481x2 -1.571x +113.6中去，即获得被测样品的球化等级，整个数据处理过程通过计算机程序完成。
本发明工艺先进，方法简单，操作便利，检验效率高，成本低。现场选取被测钢件，一般是处于容易超温超压位置的钢件，然后用机械方法完全去除被测表面的高温防锈漆、表面氧化层和脱碳层，暴露金属内部的组织状态。此时应注意避免金属的过分去除，一般是待脱碳层完全去除后，即立刻停止机械磨制工作。采用角磨机分别换上不同型号的水砂纸依次粗磨，然后采用金相砂纸进行精磨，确保表面粗糙度Ra≤1.6μm。每次更换不同型号砂纸前应将磨制面清洗干净。整个机械磨制过程中应同时喷水，降低磨制面的温度，防止由于过高温度对磨制面的金相组织和硬度产生影响，不能客观反映真实的材料状态，影响最终的检测结果。在同一部位进行多次的硬度测试，同时保证任意两次压痕中心之间距离大于3mm和任一压痕中心距试样边缘距离大于5mm是为了防止每次测试结果受上一次测试结果的影响。
本发明具有以下优点，具体体现在：（1）现场检测，对工件破坏小；（2）检测工序简单；（3）采用常用的里氏硬度计，使用设备简单；（4）对操作者的知识水平和经验要求较低；（5）检验效率高，成本低；（6）可以获得更精确的材料球化等级，球化级别可以确定到小数点后一位，而目前常用的方法只能确定到整数位；（7）数据分析过程全部采用计算机程序自动完成，分析效率大大提高。
附图说明
图1为本发明的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述：
实施例1
在现场选取被测钢件，一般是处于容易超温超压位置的钢件，然后用角磨机配上砂轮磨片去除被测表面的高温防锈漆、表面氧化层和脱碳层，暴露金属内部的组织状态。待脱碳层完全去除后，立刻停止机械磨制工作。采用角磨机装上自沾式抛光盘，然后分别换上180、400、600号的水砂纸依次粗磨。然后换上01、02号金相砂纸进行精磨，确保表面粗糙度Ra≤1.6μm。每次更换不同型号砂纸前应将磨制面清洗干净。整个机械磨制过程中应同时喷水，降低磨制面的温度，防止由于过高温度对磨制面的金相组织和硬度产生影响，不能客观反映真实的材料状态，影响最终的检测结果。然后采用里氏硬度计对准抛光表面向下推动加载套，同时将冲击装置支撑环紧压在试样表面，冲击方向与抛光表面垂直，然后平稳地按动冲击装置释放钮，在同一部位分别进行20-40次的硬度测试，同时保证任意两次压痕中心之间距离>3mm和任一压痕中心距试样边缘距离>5mm，依次读取硬度值x(1)、x(2)、x(3)……x(n) ， n=20-40。对多次测量获得的硬度值进行排序确保x(1)≤x(2)≤x(3)……≤x(n)，然后计算顺序统计量的平均值
Figure 208830DEST_PATH_IMAGE001
和标准差s，确定最大残差
Figure 328096DEST_PATH_IMAGE002
，计算
Figure 455452DEST_PATH_IMAGE003
，其中α为显著度水平，一般为0.05。而表示自由度为n-2，并且显著度水平为α/2n的t分布的临界值。比较
Figure 859068DEST_PATH_IMAGE005
和G·s的大小，如果
Figure 599885DEST_PATH_IMAGE005
>G·s则剔除对应的硬度值，然后重复上述过程剔除可疑值，直到≤G·s，输出所有剩下硬度值的平均值，如果
Figure 222944DEST_PATH_IMAGE005
≤G·s则直接输出所有硬度值的平均值，将剩下的硬度平均值代入公式y= 0.005481x2 -1.571x +113.6中去，即获得被测样品的球化等级，整个数据处理过程通过计算机程序完成。
实施例2
2008年在扬州某热电厂选取某过热器管作为被测件，该过热器管的材料是20号钢，设计温度为450℃。当时钢管已经服役10万小时。采用角磨机配上砂轮磨片去除被测表面的高温防锈漆、表面氧化层和脱碳层。待脱碳层完全去除后，即立刻停止机械磨制工作。采用角磨机装上自沾式抛光盘，然后分别换上180、400、600号的水砂纸依次粗磨。然后换上01、02号金相砂纸进行精磨，确保表面粗糙度Ra≤1.6μm。每次更换不同型号砂纸前将磨制面清洗干净。整个机械磨制过程中同时喷水，以降低磨制面的温度。然后采用瑞士Proceq公司发明的Equotip3里氏硬度计对准抛光表面向下推动加载套，同时将D型冲击装置支撑环紧压在试样表面，冲击方向与抛光表面垂直，然后平稳地按动冲击装置释放钮，读取硬度值。在同一部位进行30次硬度测试，同时保证任意两次压痕中心之间距离>3mm和任一压痕中心距试样边缘距离>5mm，依次读取硬度值x(1)、x(2)、x(3)……x(30) ，这30次硬度值分别为HB120、HB116、HB125、HB135、HB106、HB126、HB125、HB110、HB113、HB121、HB110、HB210、HB110、HB130、HB115、HB117、HB118、HB119、HB123、HB127、HB128、HB122、HB124、HB122、HB130、HB80、HB78、HB119、HB120、HB119。每次测量后都将硬度值存储在Equotip3里氏硬度计的内存中，待测试过程结束，通过USB数据线将内存中的数据下载到手提电脑中，然后利用matlab程序进行如下操作：对多次测量获得的硬度值进行排序确保x(1)≤x(2)≤x(3)……≤x(30)，然后计算顺序统计量的平均值和标准差s，确定最大残差
Figure 421024DEST_PATH_IMAGE002
，计算，其中α为显著度水平，设定为0.05。比较和G·s的大小，如果
Figure 374309DEST_PATH_IMAGE005
>G·s则剔除对应的硬度值，然后重复上述过程剔除可疑值直到
Figure 322673DEST_PATH_IMAGE005
≤G·s，输出所有剩下硬度值的平均值，如果
Figure 228312DEST_PATH_IMAGE005
≤G·s直接输出所有硬度值的平均值，通过上述方式剔除了可疑值HB210、HB80、HB78。将剩下的硬度值取平均值就得到，HB120.4。将计算出来的硬度平均值120.4代入公式y=0.005481x2-1.571x+113.6中去得y=0.005481*120.42 -1.571*120.4 +113.6=3.9级，而根据电力部标准DL /T 674- 1999通过金相法所获得的该20号钢管的珠光体球化级别为4级。因此，通过该方法可以获得更精确地球化等级。当然，出于各单位间交流方便的考虑也可在报告单上将3.9级珠光体球化写成4级珠光体球化。
实施例3
2009年在泰州某热电厂选取某过热器管作为被测件，该过热器管的材料是20号钢，设计温度为450℃。当时钢管已经服役8万小时。采用角磨机配上砂轮磨片去除被测表面的高温防锈漆、表面氧化层和脱碳层。待脱碳层完全去除后，即立刻停止机械磨制工作。采用角磨机装上自沾式抛光盘，然后分别换上180、400、600号的水砂纸依次粗磨。然后换上01、02号金相砂纸进行精磨，确保表面粗糙度Ra≤1.6μm。每次更换不同型号砂纸前将磨制面清洗干净。整个机械磨制过程中同时喷水，以降低磨制面的温度。然后采用北京时代山峰科技有限公司发明的HL1000B便携式里氏硬度计对准抛光表面向下推动加载套，同时将D型冲击装置支撑环紧压在试样表面，冲击方向与抛光表面垂直，然后平稳地按动冲击装置释放钮，读取硬度值。在同一部位进行30次的硬度测试，同时保证任意两次压痕中心之间距离>3mm和任一压痕中心距试样边缘距离>5mm，依次读取硬度值x(1)、x(2)、x(3)……x(30) ，这30次硬度值分别为HB121 HB116 HB127 HB138 HB137 HB146 HB125 HB120 HB113 HB127 HB115 HB200 HB115 HB190 HB105 HB137 HB118 HB117 HB121 HB127 HB128 HB127 HB125 HB126 HB115 HB81 HB75 HB119 HB121 HB139。每次测量后都将硬度值存储在HL1000B便携式里氏硬度计的内存中，待测试过程结束，通过USB数据线将内存中的数据下载到电脑中，然后利用matlab程序进行如下操作：对多次测量获得的硬度值进行排序确保x(1)≤x(2)≤x(3)……≤x(30)，然后计算顺序统计量的平均值
Figure 324444DEST_PATH_IMAGE001
和标准差s，确定最大残差
Figure 486915DEST_PATH_IMAGE006
，计算
Figure 289786DEST_PATH_IMAGE003
，其中α为显著度水平，设定为0.05。比较
Figure 366326DEST_PATH_IMAGE005
和G·s的大小，如果
Figure 949754DEST_PATH_IMAGE005
>G·s则剔除对应的硬度值，然后重复上述过程剔除可疑值直到
Figure 137153DEST_PATH_IMAGE005
≤G·s，输出所有剩下硬度值的平均值，如果
Figure 558645DEST_PATH_IMAGE005
≤G·s直接输出所有硬度值的平均值，通过上述方式剔除了可疑值HB200、HB190、HB75、HB81。将剩下的硬度值取平均值就得到，HB124.0。将计算出来的硬度平均值124代入公式y= 0.005481x2 -1.571x +113.6中去得y=0.005481*1242 -1.571*124 +113.6=3.1级，而根据电力部标准DL /T 674- 1999通过金相法所获得的该20号钢管的珠光体评级为3级。因此，通过该方法可以获得更精确地珠光体球化等级。当然，出于各单位间交流方便的考虑也可在报告单上将3.1级珠光体球化写成3级珠光体球化。 

Claims (1)

1.一种20号钢的珠光体球化等级的现场检测方法，包括如下步骤：
①选取被测钢件，用机械方法去除被测钢件表面的高温防锈漆、表面氧化层和脱碳层，同时对被测钢件喷水；
②将去除高温防锈漆、表面氧化层和脱碳层的被测钢件采用角磨机分别用水砂纸和金相砂纸对被测钢件表面依次进行磨抛，使被测钢件表面粗糙度Ra≤1.6μm，在对被测钢件进行磨抛的过程中同时对被测钢件喷水；
③对磨抛后的被测钢件采用里氏硬度计对准抛光表面向下推动加载套，同时将冲击装置支撑环紧压在试样表面，冲击方向与抛光表面垂直，然后平稳地按动冲击装置释放钮，对钢件的同一部位依次进行20-40次的硬度测试，任意两次压痕中心之间距离大于3mm，任一压痕中心距试样边缘距离大于5mm，分别读取硬度值x(1)、x(2)、x(3)……x(n) ，n=20-40；
④对硬度值进行数据处理，获得被测钢件的球化等级；
其特征在于：所述对硬度值进行数据处理，是对多次测量获得的硬度值进行排序：x(1)≤x(2)≤x(3)……≤x(n)，然后计算顺序统计量的平均值                                                
Figure 931382DEST_PATH_IMAGE001
和标准差s，确定最大残差
Figure 641718DEST_PATH_IMAGE002
，计算
Figure 71562DEST_PATH_IMAGE003
，其中α为显著度水平，为0.05，而
Figure 250871DEST_PATH_IMAGE004
表示自由度为n-2，并且显著度水平为α/2n的t分布的临界值，比较
Figure 525994DEST_PATH_IMAGE005
和G·s的大小，如果>G·s则剔除对应的硬度值，然后重复上述过程剔除可疑值，直到≤G·s，输出所有剩下硬度值的平均值，如果≤G·s则直接输出所有硬度值的平均值，将输出的硬度值的平均值作为X代入公式y= 0.005481x2 -1.571x +113.6中去，即获得被测样品的球化等级。
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