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CN105973708A - 高合金耐热钢抗拉强度的评估方法 - Google Patents

高合金耐热钢抗拉强度的评估方法 Download PDF

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CN105973708A CN201610500576.3A CN201610500576A CN105973708A CN 105973708 A CN105973708 A CN 105973708A CN 201610500576 A CN201610500576 A CN 201610500576A CN 105973708 A CN105973708 A CN 105973708A
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冯周荣
仇国民
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Abstract

一种高合金耐热钢抗拉强度的评估方法，该方法包括：获取高合金耐热钢附铸试块；获取高合金耐热钢附铸试块的布式硬度检测值；通过大量的多组布式硬度值与抗拉强度值对应关系进行回归拟合分析，得到抗拉强度与硬度之间的回归关系式,此关系式可以用于评估高合金耐热钢附铸试块的抗拉强度,通过实验，将采用该方法得到的抗拉强度值与采用万能拉伸试验机检测得到的抗拉强度实际值比对，完全达到通过简单易行的硬度检测评估出铸件强度值的目的，从而可以用于指导实际生产、工艺试验以及顾客性能见证等工作，提升了大型耐热钢铸件的生产制造水平，具有很强的实用性。

Description

高合金耐热钢抗拉强度的评估方法
技术领域
本发明属于大型铸钢件力学性能检测领域，尤其涉及一种高合金耐热钢抗拉强度的评估方法。
背景技术
硬度和抗拉强度是机械零部件产品检验中最常用的两个力学性能指标。
强度性能在很大程度上决定着材料的使用价值，抗拉强度则往往在机械零件设计中被作为评估其承载能力的主要参数。抗拉强度是通过单向拉伸试验求出的材料强度性能指标，试验时材料先产生弹性变形，到屈服后，即应力超过屈服点产生塑性变形，最后在正应力超过断裂强度时发生正断式延性断裂。
而压入式硬度试验时也是材料先发生弹性变形，屈服后发生塑性变形，若适当控制压入负荷，材料只会发生弹性变形和比单向拉伸大得多的塑性变形而不发生切断。正是由于压入式硬度试验与单向拉伸之间存在着上述类似点，因此硬度值与强度值之间也存在着一定的关系。一般钢铁材料抗拉强度和硬度之间呈正相关关系，在许多时候存在线性关系。
但是这两种试验毕竟还是不同类型的试验，且应力状态的软性系数也不同，所以它们之间的关系也不会是一种简单的线性关系，而且它们受材料的化学成分和制造工艺，例如铸造、锻造、轧制、热处理的影响，钢铁材料抗拉强度和硬度之间的换算关系存在着较大的分散性。
由于硬度检测方法简便、迅速又不破坏零件，在有些情况下可以通过测定硬度并利用硬度—强度间的换算关系来检查和判断零件的强度性能，尤其在生产条件固定的情况下，建立钢铁材料抗拉强度与硬度之间的关系，并用硬度来监控产品的生产过程是一种简单而便捷的选择，且具有很重要的现实意义。了解钢铁材料抗拉强度与硬度之间的关系及其影响因素，对材料的生产厂家和用户都是非常重要的，而且也解决了由于试样存在缺陷而测不出抗拉强度，从而影响正常生产流程的难题。
关于钢的抗拉强度与硬度的关系，国际标准ISO18265：2003以及国家标准 GB/T1172-1999都列表标明了各种钢的抗拉强度与硬度值，从公布的换算表可以清楚地看到，钢的抗拉强度与其硬度呈正相关关系。如果知道了某种钢材的硬度值，就很容易换算出相应的抗拉强度。但是由于钢材化学成分的差异，制造工艺的不同，换算出的抗拉强度相差较大。比如45#钢，当用淬火后高温回火（调质）和正火处理两种工艺获得相同的硬度值200HB时，调质态的抗拉强度为620MPa，而正火态的只有540 MPa。
ISO/TR10108：1989《钢—硬度和抗拉强度换算》是一个硬度和抗拉强度换算的技术报告，是为布氏硬度和维氏硬度建立的硬度—抗拉强度换算及其应用规则。所适用的材料是超软钢、软钢、结构钢、高强度钢、超高强度钢、合金钢和不锈钢，换算关系在95%置信度极限下抗拉强度分散带的宽度在200MPa以上。因而，建立在实际生产条件下各种钢材的抗拉强度与硬度的关系就显得尤为重要。
另外，现有的研究如杨玉民等人发现铸造碳钢的抗拉强度与硬度（HBS）呈线性关系，并通过线性回归获得了公式Rm=3.31HBS+35.03；江勤峰等人通过大量试验建立了昆钢冷轧薄板St13抗拉强度与洛氏硬度关系，可用于不同板厚钢板的强度估算。他们获得的关系式为：Rm=2.5526HRF+118.63，（0.7mm≤板厚≤1.1mm）；Rm=2.1361HRB+215.03，（1.1mm＜板厚≤2.0mm）。
余兆新和谢灵扬建立了适用于热轧、退火以及调质状态42CrMo钢的抗拉强度与布氏硬度关系式：Rm=49.1+3.174HB+R，（HB＜200，R=-16；HB=200～250，R=-100； HB＞250，R=+16 ）。
陈冰川，李光福，杨武研究建立了奥氏体不锈钢的里氏硬度（HL）与屈服强度（Rp0.2 ）和抗拉强度（Rm）之间符合线性关系，其回归关系式为：Rp0.2=3.38HL-941.16，相关系数R=0.981；Rm=2.06HL+116.01，相关系数R=0.938 。
奥氏体不锈钢的维氏硬度（HV）与屈服强度（Rp0.2）和抗拉强度（Rm）之间符合线性关系，其回归关系式为：Rp0.2=3.40HV-212.90，相关系数R=0.988，Rm=2.10HV+252.46，相关系数R=0.956。
由以上可看出，因为金属材料种类很多，且材料成型状态不同或所受热处理状态不同，其强度和硬度之间的关系就不同，而且现有的材料中未见有对高合金耐热钢方面的强度与硬度之间的换算研究，国家标准提供的换算表中也缺乏此类的换算。
耐热钢应用十分广泛，因此，有必要对这种高端材料的强度与硬度关系进行研究。此类钢中合金元素种类多，合金元素总含量一般在10％以上。例如，现有的高合金耐热钢从金相组织上来分属于马氏体耐热钢，这种材料在高温条件下，具有抗氧化性和足够的高温强度以及良好的耐热性能的钢铁材料。
高合金马氏体耐热钢铸件产品主要用在火电机组超临界、超超临界蒸汽轮机设备方面。材料室温下的力学性能要求：抗拉强度（Rm）630-750MPa，屈服强度（Rp0.2）≥500MPa，延伸率≥15%，断面收缩率≥40%，冲击功≥30J；另外还有高温持久力学性能要求。
发明内容
有必要提出一种高合金耐热钢抗拉强度的评估方法，该方法用于简单快速评价高合金马氏体耐热钢铸件材料强度与硬度之间的关系，以便于在实际生产中能够通过简单易于检测得到的硬度结果来评估铸件强度，用于指导实际生产。同时该方法区别于过去对抗拉强度的破坏性检测方法，在保证铸件的各项常温力学性能和高温力学性能满足生产要求的前提下，对其进行硬度检测，进而得到铸件的抗拉强度。
本专利所涉及到的高合金耐热钢从金相组织上来分属于马氏体耐热钢，这种材料在高温条件下，具有抗氧化性和足够的高温强度以及良好的耐热性。
本发明利用现场批量生产的高合金耐热钢铸件上的附铸试块的拉伸和硬度检测结果进行研究并回归分析，总结出该类型产品在一定硬度范围内硬度与抗拉强度之间的评估方法。
一种高合金耐热钢抗拉强度的评估方法，该方法包括：
获取高合金耐热钢附铸试块；
获取高合金耐热钢附铸试块的布式硬度检测值；
根据布式硬度检测值和计算公式Rm = 3.57 HB-90.2得到高合金耐热钢附铸试块的抗拉强度值，其中，Rm为抗拉强度值，HB为布式硬度值；
利用所述抗拉强度值来评估高合金耐热钢附铸试块的抗拉强度。
通过实验，将采用该方法得到的抗拉强度值与采用万能拉伸试验机检测得到的抗拉强度实际值比对，以及在生产实际当中的验证运用，完全达到通过简单易行的硬度检测评估出铸件强度值的目的，从而可以用于指导实际生产、工艺试验以及顾客性能见证等工作。提升了大型耐热钢铸件的生产制造水平，具有很强的实用性。本技术方案对同行业或同类型材质的生产制造业具有较强的借鉴性。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的实施例对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些实施例获得其他的实施例。
一种高合金耐热钢抗拉强度的评估方法，该方法包括：
步骤S100：获取高合金耐热钢附铸试块。其中，本发明以生产现场的铸件试块检测为主。选取加工好的铸件上的附铸试块，试块尺寸250mm×100mm×70mm，所有试块加工好后都需要检测人员对照标准，进行外观、尺寸、形状、粗糙度等检查和检测，符合要求后方可进行相应的试验检测。
步骤S200：获取高合金耐热钢附铸试块的布式硬度检测值。其中，采用台式布氏硬度试验机检测上述附铸试块，检测3个点位置的硬度并取其均值作为附铸试块的布式硬度检测值。
步骤S300：将S200中的布式硬度检测值代入公式Rm = 3.57 HB-90.2，得到高合金耐热钢附铸试块的抗拉强度值，所述抗拉强度值用于评估高合金耐热钢附铸试块的抗拉强度，其中，Rm为抗拉强度值，HB为布式硬度值。
步骤S400：利用所述抗拉强度值来评估高合金耐热钢附铸试块的抗拉强度。
进一步，上述公式Rm = 3.57 HB-90.2是通过对实际生产中至少50组参考数据进行分析，然后剔除个别确信为异常数据后，余下所有的参考数据均符合正态分布，且抗拉强度值和布式硬度值之间呈正相关关系，呈典型的线性关系。
然后在对成对的抗拉强度实际值和布式硬度实际值进一步进行拟合回归，得到在95%的置信度下，抗拉强度值和布式硬度值之间的关系为：Rm = 3.57 HB - 90.2 。
其中标准差S = 10.9781，回归决定系数R-Sq = 89.8%，一般工业生产中，R-Sq＞50%就说明这个回归拟合公式可靠性较高。
通过将使用上述公式计算的Rm值与采用万能拉伸试验机实际检测得到的抗拉强度实际值比较，得到偏差在±12MPa之内，拟合硬度范围在230~270HB之间，与铸件实际力学性能情况基本相符，说明该公式Rm = 3.57 HB - 90.2可以用来计算铸件的抗拉强度值，进而通过该抗拉强度值评估铸件的抗拉强度。
其中，上述50组参考数据的获取过程为：先采用台式布氏硬度试验机对所述附铸试块随机检测三个点，得到三个硬度数值，取所述三个硬度数值的均值作为布式硬度实际值，再采用万能拉伸试验机对所述附铸试块上取样加工的的拉伸试样进行试验检测得到抗拉强度实际值，将测得的所述附铸试块的抗拉强度实际值、布式硬度实际值作为一组参考数据，重复上述步骤对至少50个附铸试块进行测试，以获得成对的至少50组参考数据。
进一步，为使采用该评估方法检测到的铸件的性能结果稳定、数据可靠，需对铸件成分进行限制，对铸件的热处理工艺以及试样加工检测进行严格的规范控制，以得到真实的布式硬度检测值，进而得到真实的抗拉强度值。
首先，对铸件进行化学成分检测，化学成分的质量百分比为C：0.12～0.14、Si：0.20～0.40、Mn：0.80～1.10、P≤0.020、S≤0.010、Cr：9.5～10.1、Mo：0.92～1.04、Ni：0.6～0.8、V：0.18～0.23、W：0.98～1.04、Nb：0.05～0.10、N：0.04～0.06，其余为Fe。
其次，对满足上述化学成分含量的铸件进行热处理，所述热处理过程为淬火、高温回火，所述淬火为将铸件加热到1030～1050℃保温，出炉冷却，冷却速度为4~20℃/min；所述高温回火为待铸件冷却到温度小于100℃后，将铸件再加热到700~740℃保温，然后以小于70℃/h的速度随炉缓慢冷却至小于200℃后，出炉空冷。
第三，从上述热处理后的铸件上切离附铸试块。
第四，采样布氏硬度试验机对附铸试块上随机选取的三个点进行硬度检测，得到三个硬度数值，取这三个硬度数值的平均值即为该附铸试块的布式硬度检测值。
第五，将所述布式硬度检测值代入计算公式Rm = 3.57 HB-90.2中，得到高合金耐热钢附铸试块的抗拉强度值。
进一步，所述淬火过程和/或高温回火过程中的保温时间是按照该类型铸件的最大壁厚来计算的，计算方法为铸件最大壁厚×1min～2min/mm来计算的。计算后得到的保温时间不足3h的，按3h计算。这样亦能保证铸件及其铸件上的附铸试块保温完全热透，组织转变正常。
例如，该类型铸件最大壁厚为50mm，从该类型铸件上切离50mm后的附铸试块用于硬度检测，则高温回火达到700~740℃时保温，保温时间为1min～2min/mm×50mm=50min～100min，因为计算保温时间不足3h，所以此处的保温实际按3h操作，则淬火达到1030～1050℃时保温，保温时间为1min～2min/mm×50mm=50min～100min，因为计算保温时间不足3h，所以此处的保温实际按3h操作。
本发明实施例方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种高合金耐热钢抗拉强度的评估方法，其特征在于，该方法包括：
获取高合金耐热钢附铸试块；
获取高合金耐热钢附铸试块的布式硬度检测值；
根据布式硬度检测值和计算公式Rm = 3.57 HB-90.2得到高合金耐热钢附铸试块的抗拉强度值，其中，Rm为抗拉强度值，HB为布式硬度值；
利用所述抗拉强度值来评估高合金耐热钢附铸试块的抗拉强度。
2.如权利要求1所述的高合金耐热钢抗拉强度的评估方法，其特征在于，所述布式硬度检测值的获取步骤包括：
对铸件进行化学成分检测，化学成分的质量百分比为C：0.12～0.14、Si：0.20～0.40、Mn：0.80～1.10、P≤0.020、S≤0.010、Cr：9.5～10.1、Mo：0.92～1.04、Ni：0.6～0.8、V：0.18～0.23、W：0.98～1.04、Nb：0.05～0.10、N：0.04～0.06，其余为Fe；
对满足上述化学成分含量的铸件进行热处理，所述热处理过程为淬火、高温回火，所述淬火为将铸件加热到1030～1050℃保温，出炉冷却，冷却速度为4~20℃/min；所述高温回火为待铸件冷却到温度小于100℃后，将铸件再加热到700~740℃保温，然后以小于70℃/h的速度随炉缓慢冷却至小于200℃后，出炉空冷；
从上述热处理后的铸件上切离附铸试块；
采用布氏硬度试验机对附铸试块上随机选取的三个点进行硬度检测，得到三个硬度数值，取这三个硬度数值的平均值即为该附铸试块的布式硬度检测值。
3.如权利要求2所述的高合金耐热钢抗拉强度的评估方法，其特征在于，所述淬火过程中的保温时间是按照该类型铸件的最大壁厚来计算的，计算方法为铸件最大壁厚×1min～2min/mm，计算后得到的保温时间不足3h的，按3h计算。
4.如权利要求2所述的高合金耐热钢抗拉强度的评估方法，其特征在于，所述高温回火过程中的保温时间是按照该类型铸件的最大壁厚来计算的，计算方法为铸件最大壁厚×1min～2min/mm，计算后得到的保温时间不足3h的，按3h计算。
5.如权利要求1所述的高合金耐热钢抗拉强度的评估方法，其特征在于，计算公式Rm = 3.57 HB-90.2通过如下方式获得：
先采用台式布氏硬度试验机对所述附铸试块随机检测三个点，得到三个硬度数值，取所述三个硬度数值的均值作为布式硬度实际值，再采用万能拉伸试验机对所述附铸试块上取样加工的的拉伸试样进行试验检测得到抗拉强度实际值，将测得的所述附铸试块的抗拉强度实际值、布式硬度实际值作为一组参考数据，重复上述步骤对至少50个附铸试块进行测试，以获得成对的至少50组参考数据；
通过对上述至少50组参考数据进行分析，分析结果均符合正态分布；
抗拉强度值和布式硬度值之间呈正相关关系，呈典型的线性关系后，再对成对的抗拉强度实际值参考数据和布式硬度实际值参考数据进一步进行拟合回归，得到在95%的置信度下，抗拉强度值和布式硬度值之间的关系为：Rm = 3.57 HB - 90.2 。
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