CN102721620B - 一种15CrMo钢珠光体球化等级的现场检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及珠光体球化等级的评定领域，特别是一种用于15CrMo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进行15CrMo钢珠光体球化等级过程中造成工作部件破坏、检测工序繁琐，对操作者知识水平和经验要求较高等问题。先对被测工件表面进行机械清除，然后进行机械磨抛，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进行多次硬度测试，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直接输出15CrMo钢的珠光体球化等级。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
技术领域
本发明涉及珠光体球化等级的评定领域，特别是一种用于15CrMo钢的珠光体球化等级的现场检测方法。
背景技术
15CrMo钢是一种铬、钼珠光体耐热钢，它是应用于电力工业、石油化工等部门高温条件下的重要材料。它不仅有很好的抗氧化性、热强性，还有比较好的抗硫腐蚀和抗氢腐蚀性能。并且合金元素含量少，具有较好的工艺性能和物理性能，在500℃-550℃使用具有较高的热强性能。当使用温度大于550℃，其热强性能显著降低。通常15CrMo钢主要用于蒸汽参数为510℃的高中压管道、导汽管，管壁温度为550℃的过热器管等。15CrMo钢正常供货状态的显微组织为铁素体加珠光体，在工作温度500℃-550℃范围长期运行过程中，会产生珠光体的球化、合金元素在固溶体和碳化物间的再分配及碳化物相结构的改变，15CrMo钢的热强性能和力学性能随着珠光体球化程度和固溶体中合金元素贫化程度的加大而逐渐降低，以致材质渐趋劣化甚至失效。因此，长期以来15CrMo钢组织中珠光体球化程度常被广泛用于判定该类钢使用可靠性的重要判据之一。15CrMo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15CrMo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/T787-2001，火电厂用15CrMo钢珠光体球化评级标准)。
传统的15CrMo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
为克服15CrMo钢传统的珠光体球化等级检测方法的上述各种缺点，本发明的目的在于提供一种通过15CrMo钢工件表面的布氏硬度来获得材料珠光体球化等级状态的检测方法，解决了传统的金相法进行15CrMo钢珠光体球化等级过程中造成工作部件破坏、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来实现的：
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。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，读取硬度值。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＞3mm和任一压痕中心距试样边缘距离＞5mm。防止每次测试结果受上一次测试结果的影响。
本发明15CrMo钢珠光体球化等级的现场检测方法，具体步骤如下：
(1)对多次测量获得的硬度值进行排序确保x1≤x2≤x3......≤xn，(2)然后根据测量次数n的大小来构造统计量r，见表1。(3)由样本容量n和选定的检出水平α，一般α＝0.05。根据表1确定临界值r(n，α)。(4)当r＞r(n，α)时，相应的xi为坏值，对其剔除。然后重复步骤(2)至步骤(4)重新检查，样本容量n也相应逐次减小，直到没有r＞r(n，α)则直接输出剩下硬度值的平均值，将硬度平均值代入公式y＝0.003984x2-1.234x+96.58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。
本发明的优点和积极效果为：
(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为本发明流程图。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明作进一步详述：
如图1所示，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，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，读取硬度值。在同一部位进行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。(1)对多次测量获得的硬度值进行排序确保x1≤x2≤x3......≤xn，(2)然后根据测量次数n的大小来构造统计量r，见表1。(3)由样本容量n和选定的检出水平α，一般α＝0.05。根据表1确定临界值r(n，α)。(4)当r＞r(n，α)时，相应的xi为坏值，对其剔除。然后重复步骤(2)至步骤(4)重新检查，样本容量n也相应逐次减小，直到没有r＞r(n，α)则直接输出剩下硬度值的平均值，将硬度平均值代入公式y＝0.003984x2-1.234x+96.58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。
表1临界值r(n，a)和r的计算公式
表1的计算公式中，各自代表的含义分别为：
r10-当样本容量3≤n≤7时的构造统计量；x2-次最小硬度测量值；x1-最小硬度测量值；xn-最大硬度测量值；
r21-当样本容量11≤n≤13时的构造统计量；x3-第3小硬度测量值；x1-最小硬度测量值；xn-1-次最大硬度测量值；
r22-当样本容量14≤n≤30时的构造统计量；x3-第3小硬度测量值；xn-2-第3大硬度测量值；x1-最小硬度测量值；
实施例1
在嘉兴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15CrMo钢，设计温度为550℃。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里氏硬度计对难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。这30次硬度值分别为HB121、HB 122、HB 125、HB 135、HB 200、HB126、HB 125、HB 120、HB 113、HB 121、HB 120、HB 210、HB 130、HB 130、HB 125、HB 127、HB 138、HB 119、HB 123、HB 127、HB 128、HB 122、HB 124、HB 122、HB 140、HB 81、HB 79、HB 139、HB 120、HB 119。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：(1)对多次测量获得的硬度值进行排序确保x1≤x2≤x3......≤xn，(2)然后根据测量次数n的大小来构造统计量r，见表1。(3)由样本容量n和选定的检出水平α，一般α＝0.05。根据表1确定临界值r(n，α)。(4)当r＞r(n，α)时，相应的xi为坏值，对其剔除。然后重复步骤(2)至步骤(4)重新检查，样本容量n也相应逐次减小，直到没有r＞r(n，α)则直接输出剩下硬度值的平均值，通过上述方式剔除了可凝值HB210、HB81、HB79、HB200。将剩下的硬度值取平均值就得到，HB125.4。将计算出来的硬度平均值125.4代入公式y＝0.003984x2-1.234x+96.58中去，得y＝0.003984*125.42-1.234*125.4+96.58＝4.5级，而根据电力部标准DL/T787-2001通过金相法所获得的该15CrMo钢管的珠光体球化级别为5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4.5级珠光体球化写成5级珠光体球化。
实施例2
在湖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15CrMo钢，设计温度为550℃。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推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25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。这25次硬度值分别为HB121、HB116、HB127、HB138、HB137、HB146、HB125、HB130、HB113、HB135、HB137、HB138、HB117、HB121、HB127、HB128、HB127、HB135、HB126、HB135、HB88、HB77、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：(1)对多次测量获得的硬度值进行排序确保x1≤x2≤x3......≤xn，(2)然后根据测量次数n的大小来构造统计量r，见表1。(3)由样本容量n和选定的检出水平α，一般α＝0.05。根据表1确定临界值r(n，α)。(4)当r＞r(n，α)时，相应的xi为坏值，对其剔除。然后重复步骤(2)至步骤(4)重新检查，样本容量n也相应逐次减小，直到没有r＞r(n，α)则直接输出剩下硬度值的平均值，通过上述方式剔除了可疑值HB77、HB88。将剩下的硬度值取平均值就得到，HB128.6。将计算出来的硬度平均值128.6代入公式y＝0.003984x2-1.234x+96.58中去，得y＝0.003984*128.62-1.234*128.6+96.58＝3.8级，而根据电力部标准DL/T787-2001通过金相法所获得的该15CrMo钢管的珠光体评级为4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3.8级珠光体球化写成4级珠光体球化。
本发明中，公式y＝0.003984x2-1.234x+96.58，y表示被测样品的球化等级，x表示硬度平均值。
该公式是通过对实验数据进行回归分析获得的经验方程，本发明使用的回归分析具体指最小二乘法二次多项式回归分析。
本发明回归分析中使用的实验数据：被测样品的球化等级y和硬度平均值x分别通过以下方式获得。在实验室中，将15CrMo钢材料放入马弗炉中进行高温时效，并每天从15CrMo钢材料获取实验样品，对其进行金相观察，根据电力行业标准DL/T787-2001确定其球化等级，同时对其进行布氏硬度测定，获得其布氏硬度值。经过长期实验观察和测定可以获得15CrMo钢在不同球化等级状态下对应的硬度值。根据这些数据可以得到15CrMo在不同球化等级状态下对应的平均硬度值，如下表所示：
| 布氏硬度平均值 | 球化等级 |
| 154 | 1 |
| 139 | 2 |
| 132 | 3 |
| 128 | 4 |
| 123 | 5 |
Claims (6)
1.一种15CrMo钢珠光体球化等级的现场检测方法，其特征在于：通过材料的硬度值来确定材料的珠光体球化等级；具体步骤如下：
（1）对多次测量获得的硬度值进行排序确保x1≤x2≤x3……≤xn，n=20-40次；（2）根据测量次数n的大小来构造统计量r；（3）由样本容量n和选定的检出水平α，一般α=0.05，根据构造统计量r确定临界值r(n,α)；（4）当r> r(n,α)时，相应的xi为坏值，对其剔除；然后重复步骤（2）至步骤（4）重新检查，样本容量n也相应逐次减小，直到没有r(n,α)则直接输出剩下硬度值的平均值，将硬度平均值代入公式y=0.003984x2 -1.234x+96.58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；
其中，公式y=0.003984x2-1.234x+96.58，y表示被测样品的球化等级，x表示硬度平均值；该公式是通过对实验数据进行回归分析获得的经验方程，使用的回归分析具体指最小二乘法二次多项式回归分析；
回归分析中使用的实验数据：被测样品的球化等级y和硬度平均值x分别通过以下方式获得；在实验室中，将15CrMo钢材料放入马弗炉中进行高温时效，并每天从15CrMo钢材料获取实验样品，对其进行金相观察，根据电力行业标准DL/ T787- 2001确定其球化等级，同时对其进行布氏硬度测定，获得其布氏硬度值；经过实验观察和测定获得15CrMo钢在不同球化等级状态下对应的硬度值，根据这些数据得到15CrMo在不同球化等级状态下对应的平均硬度值。
2.按照权利要求1所述的15CrMo钢珠光体球化等级的现场检测方法，其特征在于：材料的硬度值是通过里氏硬度计测试获得的布氏硬度来推算出材料的珠光体球化等级。
3.按照权利要求1所述的15CrMo钢珠光体球化等级的现场检测方法，其特征在于：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。
4.按照权利要求1所述的15CrMo钢珠光体球化等级的现场检测方法，其特征在于：采用水砂纸和金相砂纸对被测表面依次进行磨抛，保证表面粗糙度Ra≤1.6μm。
5.按照权利要求4所述的15CrMo钢珠光体球化等级的现场检测方法，其特征在于：对材料进行磨抛的过程需同时喷水，避免温度升高导致金相组织状态发生改变。
6.按照权利要求1所述的15CrMo钢珠光体球化等级的现场检测方法，其特征在于：在同一部位进行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。
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